Ein neu entwickelter selbstheilender Verbundwerkstoff könnte die Lebensdauer von Flugzeugen und anderen Hightech-Strukturen deutlich erhöhen. Das Material soll mikroskopische Schäden eigenständig reparieren und so langfristige Ermüdung verhindern können.
Karbonfaserverstärkte Kunststoffe zählen zu den wichtigsten Hochleistungswerkstoffen der Gegenwart. Sie gewährleisten bei einem sehr geringen Gewicht eine außergewöhnliche Festigkeit. Deshalb kommen sie vor allem in anspruchsvollen Anwendungen zum Einsatz, wie zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau oder bei Windkraftanlagen.
In diesen Bereichen sind sie allerdings enormen Belastungen ausgesetzt. Temperaturschwankungen oder Umwelteinflüsse können mit der Zeit dazu führen, dass feine Risse entstehen und das Material an Stabilität verliert. Die Wissenschaft bezeichnet diesen Prozess als Delamination.
Du willst nicht abgehängt werden, wenn es um KI, Green Tech und die Tech-Themen von Morgen geht? Über 10.000 Vordenker bekommen jeden Tag die wichtigsten News direkt in die Inbox und sichern sich ihren Vorsprung.
Nur für kurze Zeit: Anmelden und mit etwas Glück Beats-Kopfhörer gewinnen!
Mit deiner Anmeldung bestätigst du unsere Datenschutzerklärung. Beim Gewinnspiel gelten die AGB.
Das wiederum erhöht den Aufwand für regelmäßige Kontrollen, Reparaturen oder den Austausch ganzer Bauteile. Forscher der North Carolina State University (NCSU) wollen aber genau das nun ändern. Sie haben einen selbstheilenden Verbundwerkstoff entwickelt, der die Lebensdauer von Flugzeugen und Co. um Jahrhunderte verlängern könnte.
Selbstheilender Werkstoff ermöglicht enorme Lebensdauer
Die Nachfrage nach karbonfaserverstärkten Kunststoffen hat in den vergangenen Jahren immer weiter zugenommen. Während im Jahr 2017 die Nachfrage noch bei 70,5 Tausend Tonnen lag, gehen Prognosen für 2027 davon aus, dass diese weltweit auf mehr als 200 Tausend Tonnen ansteigen könnte.
Doch mit der Entwicklung der NCSU-Forscher könnte diese Zahl vielleicht geringer ausfallen. Denn ihr selbstheilender Verbundwerkstoff kann sich mehr als 1.000 Mal selbst reparieren. Dieser soll zusätzlich robuster sein als die derzeit in Flugzeugflügeln, Turbinenschaufeln und anderen Anwendungen verwendeten Materialien.
Die Forscher gehen deshalb davon aus, dass die Selbstheilungsfähigkeit des Materials die Lebensdauer von faserverstärkten Verbundwerkstoffen von Jahrzehnten um Jahrhunderte verlängern kann. „Dies würde die Kosten und den Arbeitsaufwand für den Austausch beschädigter Verbundbauteile erheblich senken“, erklärt Hauptautor Jason Patrick, außerordentlicher Professor für Bauingenieurwesen, Konstruktion und Umwelttechnik an der North Carolina State University.
Gleichzeitig könnten so in vielen Industriezweigen der benötigte Energieverbrauch sowie die Abfallmenge reduziert werden. Weniger defekte Teile müssten manuell geprüft, repariert oder entsorgt werden, so Patrick.
Kann dieser Werkstoff Delamination verhindern?
„Delamination stellt seit den 1930er-Jahren eine Herausforderung für Faserverbundwerkstoffe dar“, so Patrick. „Wir sind überzeugt, dass die von uns entwickelte Selbstheilungstechnologie eine langfristige Lösung für Delamination bieten und die Lebensdauer von Bauteilen um Jahrhunderte verlängern kann. Das übertrifft die typische Lebensdauer herkömmlicher Faserverbundwerkstoffe von 15 bis 40 Jahren bei Weitem.“
Das selbstheilende Material weist ähnliche Eigenschaften wie herkömmliche Faserverbundwerkstoffe auf. Allerdings hat es zwei zusätzliche Merkmale, die eine Selbstheilung ermöglichen.
Hierfür haben die Forscher per 3D-Druck ein thermoplastisches Heilmittel auf die Faserverstärkung aufgebracht. Es entsteht eine polymerstrukturierte Zwischenschicht, wodurch das Material zwei- bis viermal widerstandsfähiger gegen Delamination wird.
Zusätzlich wird eine dünne, kohlenstoffbasierte Heizschichten in das Material eingebettet. Diese erwärmt sich bei Anlegen eines elektrischen Stroms, wodurch das Heilmittel schmilzt und in Risse und Mikrorisse fließen kann. So verbinden das Material abgelöste Grenzflächen wieder miteinander, was wiederum die strukturelle Leistungsfähigkeit des Materials wiederherstellt.
„Dies bietet einen offensichtlichen Mehrwert für großtechnische und kostspielige Anwendungen wie Flugzeuge und Windkraftanlagen“, erklärt Patrick. „Aber es könnte besonders wichtig für Technologien wie Raumfahrzeuge sein, die in weitgehend unzugänglichen Umgebungen operieren und deren Reparatur mit herkömmlichen Methoden vor Ort schwierig oder unmöglich wäre.“
In der Praxis könnte die Selbstheilung beispielsweise im Rahmen planmäßiger Wartungsarbeiten oder nach einem Hagelschlag eingesetzt werden. Die Forscher gehen davon aus, dass das Material bei vierteljährlicher Selbstheilung 125 Jahre und bei jährlicher Selbstheilung 500 Jahre halten könnte.
Auch interessant:
