Forscher der NC State entwickeln selbstheilenden faserverstärkten Polymerverbundwerkstoff

Forscher der North Carolina State University haben einen faserverstärkten Polymerverbundwerkstoff (FRP) entwickelt, der in der Lage ist, seine eigenen strukturellen Schäden mehr als tausend Mal zu reparieren. FRP-Verbundwerkstoffe bestehen aus geschichteten Glas-, Kohlenstoff- oder anderen Fasern innerhalb einer Polymermatrix und werden aufgrund ihres Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht häufig in Windkraftanlagen, Flugzeugen und Raumfahrzeugen eingesetzt. Ein häufig auftretender Fehlermodus bei diesen Materialien ist jedoch die interlaminare Delamination, bei der Risse die Faserschichten von der umgebenden Matrix trennen. Die Studie der NC State untersuchte, wie dieses Problem durch Einbau einer thermoplastischen Heilungssubstanz – als Zwischenschicht 3D-gedruckt – in die Faserverstärkung gelöst werden kann. Das Ergebnis: eine doppelte bis vierfache Widerstandsfähigkeit gegen Delamination im Vergleich zu Standardverbundwerkstoffen. Die eigentliche Innovation bestand darin, dass elektrifizierte Kohlenstoffschichten innerhalb des Verbundwerkstoffs bei Beschädigung Wärme erzeugten. Dadurch schmolzen Teile der thermoplastischen Zwischenschicht und drangen in die Brüche ein, was zu einer erneuten Verbindung der delaminierten Schnittstellen führte.

Bei automatisierten Tests wurde das Material 5 cm langen Delaminationen unterzogen, gefolgt von Selbstheilungszyklen mit 1.000 Wiederholungen über einen Zeitraum von 40 Tagen. Das Forschungsteam beschrieb die Leistungsergebnisse als eine Größenordnung über ihrem bisherigen Rekord liegend. „Da unser Verbundwerkstoff von Anfang an deutlich widerstandsfähiger ist als herkömmliche Verbundwerkstoffe, widersteht dieses selbstheilende Material Rissen mindestens 500 Zyklen lang besser als die derzeit erhältlichen laminierten Verbundwerkstoffe. Und obwohl seine interlaminare Zähigkeit nach wiederholter Heilung abnimmt, geschieht dies nur sehr langsam“, erklärte Jack Turicek, Doktorand und Mitautor der Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde. Prognosen auf der Grundlage der Heilungshäufigkeit deuteten darauf hin, dass das Material bei vierteljährlicher Reparatur 125 Jahre und bei nur jährlichen Verjüngungszyklen 500 Jahre halten könnte. Jason Patrick, korrespondierender Autor und außerordentlicher Professor für Bauingenieurwesen, Bauwesen und Umwelttechnik an der NC State, erklärte, dass die Technologie „die Kosten und den Arbeitsaufwand für den Austausch beschädigter Verbundwerkstoffkomponenten erheblich senken und den Energieverbrauch und das Abfallaufkommen vieler Industriezweige reduzieren würde – da weniger defekte Teile manuell inspiziert, repariert oder entsorgt werden müssten“. Patrick hatte zum Zeitpunkt der Veröffentlichung über sein Unternehmen Structeryx Inc. bereits Lizenzen für die Technologie vergeben.