Robert Klatt
Delamination führt dazu, dass herkömmliche faserverstärkte Kunststoffe eine begrenzte Lebensdauer haben. Ein neues Kompositmaterial, das sich selbst heilen kann, kann mehrere Jahrhunderte überdauern.
Raleigh (U.S.A.). Die Flügel und Rümpfe von vielen aktuellen Flugzeugen bestehen nicht mehr aus Aluminium, sondern werden aus faserverstärkten Kunststoffen produziert, weil diese Materialien leichter und widerstandsfähiger sind. Faserverstärkte Kunststoffe haben aber den Nachteil, dass ihre Schichten aus Kunststoff und Kohle- oder Glasfasern sich mit der Zeit voneinander lösen.
In der Wissenschaft wird dieser Prozess als Delamination bezeichnet. Er tritt vor allem auf, wenn das Material durch Schläge belastet wird, etwa wenn ein Flugzeug einen Hagelschauer durchfliegt. Dabei kommt es zu Brüchen zwischen den Schichten, die meistens nicht direkt zu größeren Schäden führen. Die kleinen Schäden summieren sich jedoch und schwächen das Material dadurch langfristig.
Forscher der North Carolina State University (NCSU) haben nun einen neuen selbstheilenden Verbundwerkstoff entwickelt, der deutlich widerstandsfähiger als die aktuellen faserverstärkten Kunststoffe ist. Das Verbundmaterial kann sich mehr als 1.000-Mal selbst heilen und damit eine Lebensdauer von über 500 Jahren erreichen, während herkömmliche faserverstärkte Verbundwerkstoffe nur einige Jahrzehnte halten.
„Das würde die Kosten und den Arbeitsaufwand für den Austausch beschädigter Verbundbauteile deutlich senken und zugleich den Energieverbrauch sowie das Abfallaufkommen in vielen Industriezweigen reduzieren, weil es weniger kaputte Teile gäbe, die man manuell prüfen, reparieren oder entsorgen muss.“
Das neue selbstheilende Flugmaterial besitzt neben den üblichen Schichten aus Kunststoff und Fasern noch dünne Stränge aus einem anderen Kunststoff, die sich direkt auf den Kohlefasermatten befinden. Der zusätzliche Kunststoff ist sehr hart und bindet sich fest an die Kohlenstofffasern. Wenn er erhitzt wird, kann er aber fließen. Die Kohlefasermatten des neuen Verbundmaterials besitzen zudem Heizdrähte aus Kohlefasern. Die Ummantelung des Kompositmaterials ist ein herkömmlicher Epoxidharzkunststoff.
Die Forscher haben in ihrem neuen Verbundmaterial bis zu fünf Zentimeter lange Risse zwischen den Kohlefasern und dem Epoxidharz erzeugt. Das Material war dabei deutlich stabiler als herkömmliche faserverstärkte Kunststoffe. Anschließend haben sie die elektrischen Heizdrähte aktiviert, um die zusätzlich eingefügten Kunststoffstränge weich zu machen. Der zähflüssige Kunststoff hat die Risskanten wiederverbunden und die Ursprungsfestigkeit des Kompositmaterials wiederhergestellt.
Ein Langzeitexperiment zeigt, dass das Material diesen Zyklus aus Rissbildung und Heilung rund 1.000-mal durchlaufen kann. Der Prozess verliert aber zunehmend an Effektivität und kann am Ende nur noch 60 Prozent der ursprünglichen Materialfestigkeit wiederherstellen, weil kleine Bruchstücke der Kohlenfasern den Kunststoff zunehmend verunreinigen.
Quellen:
Pressemitteilung der North Carolina State University (NCSU)
Studie im Fachmagazin PNAS, doi: 10.1073/pnas.2523447123
