Materialforschung: Forscher entwickeln selbstheilenden Verbundwerkstoff
Windturbinen, Tragflächen, Rümpfe: Laminierte Verbundwerkstoffe werden in vielen Anwendungen eingesetzt. Forscher in den USA und Israel haben einen Verbundwerkstoff entwickelt, der sich selbst heilen soll.
Laminierte Verbundwerkstoffe bestehen aus Fasermatten, beispielsweise von Glas- und Kohlefasern, die durch einen Kunststoff verbunden sind. Schäden treten meist durch Delaminierung auf, wenn sich eine oder mehreren Schichten ablösen. Das Team von der North Carolina State University in Raleigh, dem Israel Institute of Technology in Haifa und der University of Houston hat ein Verfahren entwickelt, um das zu verhindern.
Dazu wird auf eine Fasermatte ein thermoplastisches Heilmittel gedruckt. Zudem werden in den Verbundwerkstoff dünne Heizschichten eingebettet. Wird an die Heizschichten elektrischer Strom angelegt, erwärmen diese sich. Dadurch schmilzt das Heilmittel und schließt Risse oder kleine Schäden im Verbundwerkstoff.
Die Materialien sind leicht verfügbar und günstig
Vorteil sei, berichten die Forscher(öffnet im neuen Fenster) , dass die Strukturen direkt vor Ort repariert werden könnten, ohne dass etwa das Windrad dafür stillgelegt werden müsse. Sowohl das thermoplastische Heilmittel als auch die Heizschichten bestünden aus leicht verfügbaren Materialien und seien relativ kostengünstig.
"Wir haben herausgefunden, dass dieser Prozess mindestens 100 Mal wiederholt werden kann und dabei die Wirksamkeit der Selbstheilung erhalten bleibt" , sagte Jason Patrick, einer der Autoren des Papers, das in der Fachzeitschrift Nature erschienen(öffnet im neuen Fenster) ist. "Wir wissen nicht, wo die Obergrenze liegt, falls es eine gibt."
Durch die Fähigkeit, sich selbst zu reparieren, sollen Bauteile aus Verbundwerkstoffen deutlich länger genutzt werden können als bisher. "Indem wir die Langlebigkeit dieser Verbundwerkstoffe erhöhen, machen wir sie nachhaltiger" , sagt Patrick. "Windradflügel sind zwar ein gutes Beispiel, aber strukturelle Verbundwerkstoffe kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz: Flugzeugflügel, Satelliten, Automobilteile, Sportartikel und so weiter."
Wie sich gezeigt hat, macht das Verfahren die Bauteile auch ohne die Fähigkeit, sich selbst zu heilen, robuster: Der gedruckte thermoplastische Kunststoff erhöht demnach die inhärente Bruchfestigkeit deutlich. Das bedeutet, dass mehr Energie für eine Delaminierung nötig ist.
In Flugzeugen sollen die Heizschichten noch einen weiteren Nutzen haben: Damit sollen sich die Tragflächen ohne den Einsatz von chemischen Mitteln enteisen lassen, auf dem Boden ebenso wie während des Fluges.
Die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit dem Selbstheilungsmechanismus soll etwas teurer sein als die der konventionellen Verbundwerkstoffe. Diese Mehrkosten würden jedoch durch eine deutlich längere Betriebsdauer des Materials wettgemacht, sagte Patrick. "Wir suchen jetzt nach Partnern in der Regierung und der Industrie, die uns dabei helfen, diese polymerbasierten Verbundwerkstoffe für spezifische Anwendungen maßzuschneidern."