Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Pichler, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen, Forschungsbereich Baustatik und experimentelle Mechanik

Das EU-Projekt MatCHMaker: Ziele und Partner
Das europäische Forschungsprojekt MatCHMaker zielt darauf ab, die Entwicklung umweltfreundlicher Materialien durch Kombination aus Materialcharakterisierung und Physik- sowie Daten-basierter Modellierung zu beschleunigen. In drei unterschiedlichen industriellen Anwendungsfällen wird je ein charakteristischer Materialtyp untersucht:
(i) Kompositzemente mit reduziertem Kohlendioxid-Fußabdruck, die aus gewöhnlichem Portlandzement (OPC), Kalkstein und temperaturbehandelten Tonen bestehen,
(ii) Festoxid-Brennstoffzellen/Festoxid-Elektrolysezelle und
(iii) Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzellen.
Das Projekt leistet einen wesentlichen Beitrag zum europäischen Green Deal. Es sollen Kosten, Entwicklungszeit und ökologische Auswirkungen in der Materialentwicklung reduziert werden.
Das Projekt läuft von Dezember 2022 bis Mai 2026 und wird im Rahmen des EU-Programms Horizon Europe mit rund 4,7 Millionen Euro gefördert. Koordiniert wird MatCHMaker vom französischen Forschungszentrum CEA (= Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives). Insgesamt sind zehn Partnerinstitutionen sowie zwei assoziierte Einrichtungen aus acht europäischen Ländern beteiligt. Dazu zählen Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industriepartner mit Expertise in den Bereichen Materialcharakterisierung, Modellierung und Datenmanagement.

Beitrag von TU Wien-IMWS zur Materialcharakterisierung und Mehrskalenmaterialmodellierung
Das Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen (IMWS) der TU Wien trägt zur mikro- und makroskopischen Charakterisierung von Komposit-Zementleimen und -steinen sowie zur Entwicklung von physikalisch fundierten Mehrskalenmaterialmodellen zur Vorhersage der Materialfestigkeit mit Methoden der Kontinuumsmikromechanik bei.
Ziel ist es, die mikrostrukturellen Eigenschaften komplexer zementhaltiger Materialien zu beschreiben und hochzuskalieren, um makroskopische Materialeigenschaften vorherzusagen. Das gelingt durch Verknüpfung von Experiment und Modellierung auf kleinen und großen Skalen. Das IMWS arbeitet eng mit dem Industriepartner Heidelberg Materials zusammen, vertreten durch Dr. Alexandre Ouzia.
Der experimentelle Teil umfasst die Charakterisierung der Hydratationskinetik von aushärtenden Zementsteinen, der Entwicklung von viskoelastischen Steifigkeitseigenschaften im jungen Materialalter (1 bis 7 Tage nach Herstellung), der einaxialen Druckfestigkeit im Materialalter von 2 und 28 Tagen sowie der mechanischen Eigenschaften von mikrostrukturellen Bestandteilen. Das erfolgt mittels isothermaler Kalorimetrie, Ultraschalltest, stündlich durchgeführten 3-Minuten Kriechtests, einaxialen makroskopischen Druckfestigkeitsversuchen sowie Nanoindentationstests.
Hochauflösende bildgebende Verfahren werden von Projektpartnern angewendet, um mikrostrukturelle Schliffbildaufnahmen der untersuchten Zementsteine zu erhalten. Die Phasenzusammensetzung von Zementsteinen wird mittels quantitativer Röntgenbeugung ermittelt.
Die Modellierungsarbeiten konzentrieren sich auf die Vorhersage der Druckfestigkeit von Zementsteinen. Die verwendete Mehrskalenmodellierungstechnik basiert auf den Skalenübergangs-Prinzipien der Kontinuumsmikromechanik. Festigkeiten von Zementsteinen werden auf Basis ihrer Materialzusammensetzung vorhergesagt, wobei letztere anhand des anfänglichen Wasser-zu-Bindemittel Massenverhältnisses und des Hydratationsgrads vorhergesagt wird.

Ergebnisse aus der Forschungsarbeit des IMWS im Zuge von MatCHMaker (Auswahl)

•  C3-Zementsteine weisen eine kleinere Kriechnachgiebigkeit als kommerzielle OPC-Zementsteine auf. (LC3 ... limestone calcined clay cement; = Bindemittel aus gewöhnlichem Portlandzement, Kalkstein und temperaturbehandeltem Ton)
• Die Partikelgrößen der unterschiedlichen Zementbestandteile haben eine wesentliche Bedeutung für die Festigkeitsentwicklung und somit für die Mehrskalenmaterialmodellierung.
• SEM Bilder sind für die Entwicklung von materiellen Organigrammen von großer Bedeutung. (SEM ... Scanning Electron Microscopy; = Rasterelektronenmikroskopie)

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Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Paul Mayrhofer, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, Forschungsbereich Werkstoffwissenschaft
DI Mag. Christian Pflaum und Martin Kunze, MA, Cerabyte GmbH, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Abstract (folgt)

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Assoc.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Helmut Riedl-Tragenreif, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, Forschungsbereich Werkstoffwissenschaft
Dr.-Ing. Peter Polcik und Dr.-Ing. Szilard Kolozsvari, beide Plansee Composite Materials GmbH, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster
Dipl.-Phys. Klaus Böbel, Oerlikon Surface Solutions AG, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Dieses CD-Labor erforscht widerstandsfähige und verschleißreduzierende Beschichtungen für hochbeanspruchte Komponenten, wie z.B. in Turbinen und Antrieben. Diese sollen Treibhausgasemissionen reduzieren und zu einer erhöhten Nachhaltigkeit beitragen.

Um den großen Herausforderungen in Bezug auf Klimaschutz und Nachhaltigkeit gerecht zu werden, kommt auch der Effizienzsteigerung bestehender Systeme eine wichtige Rolle zu, da auch in Zukunft mit einem wachsenden Bedarf an Energie und Mobilität zu rechnen ist.

Dieses CD-Labor für Oberflächentechnik von hochbeanspruchten Präzisionskomponenten zielt auf die Erkundung neuartiger Beschichtungsmaterialien sowie funktionaler Schichtdesigns zur anwendungsbezogenen Effizienzsteigerung ab. Im Einzelnen werden neuartige, umweltfreundlichere Oberflächenlösungen für hochbelastete Komponenten erforscht, die insbesondere in der Luftfahrt und im Transportwesen sowie im Bereich der Energieerzeugung Anwendung finden. Prominente Beispiele sind Turbinenkomponenten, welche in modernen Triebwerken wie stationären Wärmekraftmaschinen, Gasturbinen, oder auch bei der Stromerzeugung aus Wasserkraft sowie Verfahren zur Erzeugung erneuerbarer Energien, eingesetzt werden.

Eine der größten Herausforderungen im Bereich der Hochleistungskomponenten stellt die große Vielfalt der verwendeten Materialtypen dar, welche individuelle Schnittstellendesigns zwischen Beschichtungswerkstoff und Grundmaterial erfordern. Beispiele für solche zu beschichtenden Materialien sind Verbundwerkstoffe (Polymer-Metalle oder Keramik-Metalle), verschiedene Stahlsorten, Superlegierungen auf Ni- oder Co-Basis sowie weitere Hochtemperaturmaterialien bis hin zu neuartigen intermetallischen Verbindungen. Darüber hinaus eröffnen additiv gefertigte Komponenten ein neues Wachstumsfeld, das die Entwicklung innovativer Beschichtungen erfordert, da ihre Oberflächentopographie, Mikrostruktur und Morphologie nicht mit konventionell gefertigten Komponenten vergleichbar sind.

Ziel dieses CD-Labors ist es, Beschichtungen zu erforschen, welche die Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit hochbeanspruchter Präzisionskomponenten erhöhen. Dadurch ergeben sich positive Effekte in Bezug auf Umweltprobleme, wie etwa eine Verringerung der Treibhausgasemissionen und eine allgemein verbesserte Nachhaltigkeit verwendeter Ressourcen. Ergänzt wird die Materialentwicklung durch moderne Prüfmethoden, wie In-situ-Mikromechanik, Hochtemperatur-Korrosionstests und elektrochemische Analysen.

Durch enge Kooperation mit Industriepartnern und einer breiten experimentellen sowie theoretischen Methodik trägt das CD-Labor wesentlich zur Entwicklung langlebiger, ressourcenschonender Werkstoffe bei. So leistet das Labor einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Materialforschung an der TU Wien – von der Grundlagenarbeit bis zur industriellen Anwendung.

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Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Markus Valtiner, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, Institut für Angewandte Physik, Forschungsbereich Applied Interface Physics
Dr. Reza Sharif, voestalpine Stahl GmbH, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Wie Wasserstoff Materialien herausfordert – und wie wir das künftig besser messen können
Wie beeinflusst Wasserstoff moderne Hochleistungswerkstoffe – und wie lässt sich das besser messen? Wir präsentieren neue Testsysteme mit Potenzial für Materialentwicklung, Wasserstoffspeicherung und industrielle Anwendung.

Wasserstoff gilt als zentrale Komponente einer klimafreundlichen Energiezukunft – doch der Umgang mit ihm ist materialtechnisch anspruchsvoll. Besonders moderne, ultra-hochfeste Stähle, wie sie etwa in der Fahrzeug- oder Energietechnik zur erheblichen Gewichtsreduktion eingesetzt werden, können durch Wasserstoffversprödung unerwartet, und katastrophal, versagen.
In Zusammenarbeit mit der voestalpine Stahl GmbH haben wir neuartige Messsysteme entwickelt, um dieses Risiko besser zu verstehen und kontrollierbar zu machen. Dazu zählen:

• eine optimierte Permeationszelle, die auch extrem geringe Wasserstoffmengen und deren Transport durch Materialien und Dünnschichten präzise nachweisen kann
• sowie ein universelles mechanisches Testsystem, das Wasserstoff lokal einleitet und gleichzeitig eine vollständige mechanische Charakterisierung von Materialien ermöglicht.

Die große Stärke: Beide Systeme lassen sich auf verschiedenste Materialien übertragen – etwa im Bereich der Wasserstoffspeicherung, und Materialien für Wasserstoffumgebungen aller Art, wie zum Beispiel Rohrleitungssysteme oder neuartige Funktionswerkstoffe.
Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, um Werkstoffe gezielt für die Herausforderungen einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft zu entwickeln und zu prüfen. Das Projekt zeigt, wie durch enge Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie – hier exemplarisch mit der voestalpine Stahl GmbH – konkrete Lösungen entstehen, die die Materialforschung an der TU Wien direkt in die Praxis bringen.

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Projektass. Dipl.-Chem. Dr. Christian Weilach, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster und Assoc.Prof.ⁱⁿ Dipl.-Ing.ⁱⁿ Dr.ⁱⁿ Karin Föttinge, öffnet eine externe URL in einem neuen Fensterr, beide: Institut für Materialchemie, Forschungsbereich Physikalische Chemie und co2ol catalyst, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Based on an innovative, particularly robust material, "cool catalyst" enables simple and efficient recycling of CO2 emissions into methanol, a valuable raw material for the chemical industry. We combine local reduction of CO2 emissions with the potential to defossilize chemical value chains.
The project is centered on an innovative high-performance catalyst, developed at the Institute of Materials Chemistry at TU Vienna. The novel catalyst material demonstrates outstanding resilience against common impurities found in CO2 streams, particularly sulfur compounds. This translates into high flexibility and substantial cost advantages compared to preceding CO2 utilization processes. Furthermore, superior catalytic performance already at mild operation conditions enable realization of an energy - and H2 - efficient overall process.
This catalyst will now be transferred from academic research to industrial use via a planned spin-off company. Proof-of-Concept studies with partners from various industries such as petrochemicals, steel, and refractory materials have successfully demonstrated the implementation potential of the patented technology. The catalyst's high sulfur tolerance additionally facilitates the valorization of previously unused CO2 emissions from biogenic sources such as biogas or other fermentation processes. This enables the production of methanol with an extremely low CO2 footprint, aligning with the growing demand for renewable, sustainable resources.
Methanol is among the most important platform chemicals in the chemical industry, with diverse applications. It serves as a building block for many products, including formaldehyde and olefins, and is also used directly, for example, as marine fuel. According to market studies, methanol's role as a key molecule in the chemical industry's transformation is expected to grow significantly in the coming years.

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