Robert Klatt
Ein neuer Verbundwerkstoff kann sich mit einem thermoplastischen Heilmittel selbst reparieren. Dies erhöht die Lebensdauer von Windturbinen deutlich.
Raleigh (U.S.A.). Laminierte Verbundwerkstoffe werden in Windturbinen, Rümpfen, Tragflächen und vielen anderen Produkten verwendet. Sie bestehen aus Fasermatten, etwa aus Kohle- und Glasfasern, die mit einem Kunststoff verbunden sind. In der Regel kommt es bei diesen Verbundwerkstoffen, durch das Ablösen mehrerer Schichten (Delaminierung) zu Schäden.
Wissenschaftler der North Carolina State University, des Israel Institute of Technology und der University of Houston haben nun einen Verbundwerkstoff entwickelt, der sich selbst heilen kann und dadurch die Delaminierung verhindert.
Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature haben die Forscher um Jason Patrick dazu ein thermoplastisches Heilmittel auf die Fasermatte gedruckt und dünne Heizschichten in den Verbundwerkstoff integriert. Wenn durch die Heizschichten Strom fließt, erwärmen diese sich und das Heilmittel schmilzt. Es kann dadurch kleine Risse und andere kleine Schäden im Verbundwerkstoff schließen.
„Wir haben herausgefunden, dass dieser Prozess mindestens 100 Mal wiederholt werden kann und dabei die Wirksamkeit der Selbstheilung erhalten bleibt. Wir wissen nicht, wo die Obergrenze liegt, falls es eine gibt.“
Laut den Wissenschaftlern ist der größte Vorteil des selbstheilenden Verbundwerkstoffes, dass auch komplexe Strukturen ohne Stilllegung direkt vor Ort repariert werden können. Außerdem bestehen die Heizschichten und das thermoplastische Heilmittel aus Materialien, die kostengünstig und leicht verfügbar sind.
Im Vergleich zu herkömmlichen Verbundwerkstoffen ist die Herstellung des neuen Verbundwerkstoffes mit der Selbstheilungsfähigkeit nur etwas teuer. Durch die längere Nutzungsdauer des Materials werden diese Mehrkosten jedoch wettgemacht.
Der neue Verbundwerkstoff kann die Lebensdauer von stark belasteten Bauteilen, wie etwa den Flügeln von Windkraftanlagen, deutlich erhöhen.
„Indem wir die Langlebigkeit dieser Verbundwerkstoffe erhöhen, machen wir sie nachhaltiger. Windradflügel sind zwar ein gutes Beispiel, aber strukturelle Verbundwerkstoffe kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz: Flugzeugflügel, Satelliten, Automobilteile, Sportartikel und so weiter.“
In Flugzeugen hat die Heißschicht zudem den Vorteil, dass sie Tragflächen ohne chemische Mittel enteisen kann.
Die Forscher erklären in ihrem Paper überdies, dass der thermoplastische Kunststoff die inhärente Bruchfestigkeit von Bauteilen deutlich erhöht. Die für eine Delaminierung benötige Energie nimmt dadurch deutlich zu, was bedeutet, dass auch Bauteile, ohne die Fähigkeit zur Selbstheilung, robuster werden.
Nature, doi: 10.1038/s41467-022-33936-z
