Forscherteams der Universitäten Hokkaido und Toyama in Japan haben kürzlich Fortschritte auf dem Gebiet der Hart-Weich-Verbundwerkstoffe erzielt. Durch die Erstellung eines minimalen dreidimensionalen Modells enthüllten sie den Härtungsmechanismus dieses Materialtyps. Die Forschungsergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America veröffentlicht.

Natürliche Biomaterialien wie Knochen und Perlmutt erreichen durch eine mehrschichtige Kombination aus weichen und harten Komponenten ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit. Diese Eigenschaft ist eine wichtige Referenz für die Entwicklung künstlicher Verbundwerkstoffe. Aufgrund der Komplexität der inneren Struktur der Materialien und der Wechselwirkungen auf mehreren Ebenen blieben die Grundprinzipien des Zähigkeitsmechanismus jedoch lange Zeit unklar.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Fukushige Tian und Professor Jianping Gong vom Department of Advanced Life Sciences der Universität Hokkaido sowie Professor Katsuhiko Sato von der Universität Toyama konstruierte ein vereinfachtes dreidimensionales Modell von Weich-Hart-Verbundwerkstoffen. Durch die zufällige Verteilung linear elastischer weicher und harter Elemente konzentrierten sie sich auf die grundlegenden physikalischen Prinzipien der Materialverfestigung. Das Modell reproduzierte erfolgreich das typische mechanische Verhalten zäher Verbundwerkstoffe, einschließlich mechanischer Hysterese und des Übergangs von spröde zu duktil.

Die Studie ergab, dass das Material einen Übergang von spröde zu duktil durchläuft, wenn die weichen und harten Phasen ein bestimmtes mechanisches Gleichgewicht erreichen. Der optimale Härtungseffekt tritt bei einem bestimmten Verhältnis von weichen und harten Komponenten ein, bei dem die Zähigkeit des Verbundwerkstoffs die individuellen Eigenschaften der einzelnen Komponenten übertrifft. Dr. Tian Fucheng erklärte: „Obwohl das Modell auf einem linearen elastischen System basiert, stimmen seine Ergebnisse weitgehend mit experimentellen Daten von nichtlinearen Weich-Hart-Verbundwerkstoffen überein und offenbaren ein universelles Prinzip hinter dem Härtungsmechanismus.“

Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickelte das Team ein „Verfestigungsphasendiagramm“, das als praktische Anleitung für die Materialentwicklung dient und den optimalen Bereich der Kombinationen aus Steifigkeit und Zähigkeit von Komponenten aufzeigt. Die Universalität dieses Modells lässt darauf schließen, dass seine Prinzipien breit auf die Entwicklung verschiedener Verbundwerkstoffe angewendet werden können.

Die Forschungsergebnisse sollen die Entwicklung von Hochleistungsmaterialien in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie vorantreiben und haben Anwendungspotenzial in biomedizinischen Bereichen wie der Gewebezüchtung und medizinischen Geräten, die hochfeste Gele erfordern.

Weitere Informationen: Fucheng Tian et al., „Fundamental toughening landscapes of soft and hard composites: Insights from a minimal framework“, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). Zeitschrifteninformationen: Proceedings of the National Academy of Sciences