Ingenieure der Texas A&M University entwickeln einen fortschrittlichen Kunststoffverbundwerkstoff aus Kohlefaser, der in verschiedenen Industriezweigen breite Anwendung finden könnte.
Die Materialwissenschaft definiert die Möglichkeiten aller Industriezweige neu. Dies zeigt sich deutlich im Bausektor, beispielsweise bei zementfreiem Mineralschaumstoff, mit dem Säulen und Wände in 3D gedruckt werden können, aber auch in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie.
Letztere können besonders von einer aktuellen Veröffentlichung von Forschern der Texas A&M University profitieren. Unter der Leitung von Mohammad Naragi, Direktor des Labors für nanostrukturierte Materialien, hat ein Team von Ingenieuren einen neuartigen intelligenten Werkstoff entwickelt, eine Art Kunststoff, der sich verformen und selbst reparieren kann.
Der Schlüssel dazu liegt in der Nanotechnologie, der Fähigkeit, die Eigenschaften eines Materials auf der Grundlage seiner molekularen Struktur zu formen, was in diesem Fall zur Entwicklung eines innovativen Verbundkunststoffs aus Kohlenstofffasern geführt hat, der als aromatischer thermostabiler Copolyester (ATSP) bezeichnet wird.Innovatives Material mit spanischem Zertifikat auf Algenbasis: Es isoliert Ihr Haus gegen Hitze, schützt es vor Bränden und erzeugt Strom
In einer Studie, die in den Fachzeitschriften Macromolecules und Journal of Composite Materials veröffentlicht wurde, beschreiben Naraqi und sein Team den Herstellungsprozess des Materials, die Tests, denen es unterzogen wurde, und seine mechanischen Eigenschaften, die es zu einer vielversprechenden Lösung mit einem breiten Anwendungsspektrum machen, von der Automobilherstellung bis hin zu Flugzeugen und Weltraumraketen.
„ATSP ist eine neue Klasse von Glasfaserverbundwerkstoffen, die die besten Eigenschaften herkömmlicher Kunststoffe vereint“, erklärt Nargi in einer Pressemitteilung. „In Kombination mit robusten Kohlenstofffasern entsteht ein Material, das um ein Vielfaches stärker als Stahl, aber leichter als Aluminium ist.“
Wie es hergestellt wird
Wie die Forscher in ihrem Artikel beschreiben, basiert der Herstellungsprozess dieses Materials auf einem Verfahren, mit dem fortschrittliche Kunststoffe hergestellt werden, die sich ihre Form „merken“ und sich nach einer Beschädigung selbst regenerieren können.
Alles beginnt mit der Auswahl von zwei wichtigen chemischen Komponenten im Labor: p-Hydroxybenzoesäure und Dihydroxybiphenyl. Diese hochreinen Verbindungen werden mit Hilfe einer dritten Substanz, Acetanhydrid, verbunden, die ihre Verbindung unterstützt. Um die Reaktion zu beschleunigen, wird eine kleine Menge konzentrierte Schwefelsäure hinzugefügt.
Die Mischung dieser Inhaltsstoffe wird einer kontrollierten Erhitzung unterzogen. Durch diesen Prozess reagieren die Komponenten miteinander und bilden eine größere und komplexere Molekülstruktur, aus der das Polymermaterial entsteht.
Sobald diese Substanz die Form eines Pulvers angenommen hat, wird sie unter Druck und hoher Temperatur verdichtet und geformt. Durch diesen Schritt erreicht das Material eine höhere innere Kohäsion, und die chemischen Bindungen im Kunststoff werden angepasst, um ihm einzigartige Eigenschaften zu verleihen.
Das Ergebnis dieses Prozesses der thermischen Konsolidierung und Druckbeaufschlagung sind robuste und stabile Teile, die laut den Autoren eine viel längere Lebensdauer als andere Materialien haben können.
„In der Luft- und Raumfahrtindustrie sind Materialien extremen Belastungen und hohen Temperaturen ausgesetzt“, sagt Naraagi. „Wenn eines dieser Elemente ein Flugzeugteil beschädigt und eine seiner Hauptfunktionen beeinträchtigt, kann es sich selbst reparieren, wenn dies erforderlich ist.“
Diese Fähigkeit, seine strukturelle Integrität schnell wiederherzustellen, macht ATSP zu einem sehr attraktiven Material nicht nur für den Bau von Raketen und Flugzeugrümpfen, sondern auch für Karosserien und andere Teile von Autos und anderen Landfahrzeugen.
„Dank der Verbindungen, die im Material entstehen, können Verformungen des Fahrzeugs nach einem Unfall wiederhergestellt werden, und was noch wichtiger ist, die Sicherheit des Fahrzeugs kann durch den Schutz der Insassen erheblich verbessert werden“, sagt Naraagi.
Umweltfreundlicher
Man könnte meinen, dass diese besonderen Eigenschaften des Materials auch große Schwierigkeiten bei der Wiederverwertung nach Ablauf seiner Lebensdauer mit sich bringen. Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall: Es ist viel umweltfreundlicher, da es dank seiner Selbstregenerationsfähigkeit für neue Zwecke verwendet werden kann, ohne dass seine Festigkeit oder Haltbarkeit beeinträchtigt wird.
„Diese mit diskreten Fasern verstärkten Glaselemente können Zyklen durchlaufen: Sie lassen sich leicht zusammendrücken und formen, um ihnen eine neue Form zu geben, und dies kann viele Male wiederholt werden, ohne die chemische Zusammensetzung des Materials zu beeinträchtigen“, fährt der Direktor des Labors für nanostrukturierte Materialien fort.
Röntgenaufnahmen von ATSP während fünf verschiedener Zyklen der Beschädigung und Wiederherstellung. Mohammad Naragi / Texas A&M University Omicrono
Um die Fähigkeit von ATSP zu testen, seine Form zu verändern und sich wiederherzustellen, entwickelten die Forscher speziell entwickelte Belastungstests, um das Material an seine Grenzen zu bringen.
„Wir haben unsere Proben wiederholten Dehnungszyklen (Verformungen) ausgesetzt und beobachtet, wie sich das Material veränderte, indem es die Verformungsenergie speicherte, aufbewahrte und wieder freisetzte“, erklärt Naragi.
Auf diese Weise entdeckten die Forscher zwei Schlüsseltemperaturen durch die Anwendung zyklischer Belastungen. Die erste ist die „Glasübergangstemperatur“, bei der sich die Polymerketten leicht verschieben lassen.
Die zweite ist die Verglasungstemperatur – „die Temperatur, bei der diese Bindungen thermisch so stark aktiviert werden, dass ein massiver Austausch von Bindungen stattfindet, der zu Verfestigung, Verformung und Rückbildung führt“.
Es regeneriert sich selbst
Um die Selbstregenerationsfähigkeit zu testen, wurde das Material Ermüdungstests unterzogen, bei denen es regelmäßig auf 160 °C erhitzt wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die Proben nicht nur Hunderte von Zyklen ohne Beschädigung überstanden, sondern sogar ihre Festigkeit während des Prozesses erhöht haben.
„Genauso wie sich Haut dehnen, heilen und in ihre ursprüngliche Form zurückkehren kann, verformte sich das Material, heilte und „erinnerte“ sich an seine ursprüngliche Form, wodurch es stabiler als bei der ursprünglichen Herstellung wurde“, sagt Nagai.Holz, das Stahl und Beton ersetzt: Dank dieser innovativen Methode ist es neunmal fester als normales Holz.Sein Team, zu dem auch Andreas Polikarpou von der Universität Tulsa gehörte, testete die mechanische Integrität, die Formwiederherstellung und die Selbstheilungsfähigkeit des Materials, indem es es fünf Belastungszyklen und anschließend einer Temperatur von 280 °C aussetzte.
Nach den ersten beiden Belastungs- und Reparaturzyklen hatte das Material fast seine ursprüngliche Festigkeit wiedererlangt. Im fünften Zyklus sank die Härtungswirksamkeit jedoch aufgrund von Materialermüdung auf etwa 80 %.
„Mithilfe hochauflösender Bilder haben wir festgestellt, dass die Verbindung nach der Beschädigung und Aushärtung dem ursprünglichen Design ähnelte, obwohl eine erneute Beschädigung zu lokalem mechanischem Verschleiß führte, der durch Produktionsfehler verursacht wurde“, sagte Naraagi.
Die chemische Stabilität und die selbstheilenden Eigenschaften blieben jedoch über fünf Zyklen hinweg unverändert. „Wir haben außerdem festgestellt, dass es zu keiner thermischen Zersetzung oder einem Zerfall des Materials kam, was seine Langlebigkeit auch nach Beschädigung und Reparatur bestätigt“, schließt er.
