Bahnbrechender intelligenter Kunststoff: Selbstheilend, formverändernd und stärker als Stahl
Forscher der Luft- und Raumfahrttechnik und der Materialwissenschaften an der Texas A&M University haben neue Eigenschaften eines extrem haltbaren, wiederverwertbaren, intelligenten Kunststoffs entdeckt und damit den Weg für transformative Anwendungen in der Verteidigungs-, Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie geebnet.
Dr. Mohammad Naraghi bei der Vorstellung von ATSP, dem intelligenten Kunststoff aus Kohlenstofffasern.
Dr. Mohammad Naraghi/Texas A&M University College of Engineering
Der vom US-Verteidigungsministerium finanzierte und in den Fachzeitschriften Macromolecules und Journal of Composite Materials veröffentlichte Durchbruch wurde von Dr. Mohammad Naraghi, Direktor des Nanostructured Materials Lab und Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der Texas A&M, in enger Zusammenarbeit mit Dr. Andreas Polycarpou von der University of Tulsa erzielt.
In ihrer Arbeit untersuchten sie die mechanische Integrität, die Wiederherstellung der Form und die Selbstheilungseigenschaften eines fortschrittlichen Kohlenstoff-Faser-Kunststoffverbunds namens Aromatic Thermosetting Copolyester (ATSP).
Heilung von Schäden auf Abruf
ATSP eröffnet neue Möglichkeiten in Branchen, in denen Leistung und Zuverlässigkeit entscheidend sind und ein Versagen keine Option ist.
"In der Luft- und Raumfahrt sind die Materialien extremen Belastungen und hohen Temperaturen ausgesetzt", so Naraghi. "Wenn eines dieser Elemente ein Teil eines Flugzeugs beschädigt und eine seiner Hauptanwendungen unterbricht, könnte man bei Bedarf eine Selbstheilung durchführen.
Mit zunehmender Reife und Skalierung hat ATSP das Potenzial, die Handels- und Konsumgüterindustrie, insbesondere den Automobilsektor, zu verändern.
"Aufgrund des Bindungsaustauschs, der im Material stattfindet, kann man die Verformungen eines Autos nach einer Kollision wiederherstellen und vor allem die Fahrzeugsicherheit durch den Schutz der Insassen erheblich verbessern", so Naraghi.
ATSP ist auch eine nachhaltigere Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen. Seine Recyclingfähigkeit macht das Material zu einem idealen Kandidaten für Branchen, die Umweltabfälle reduzieren wollen, ohne dabei Kompromisse bei der Haltbarkeit oder Festigkeit einzugehen.
"Diese mit diskontinuierlichen Fasern verstärkten Vitrimere können zyklisch in der Höhe verändert werden - man kann sie leicht zerkleinern und in eine neue Form bringen, und das über viele, viele Zyklen hinweg, ohne dass sich die Chemie des Materials verschlechtert", sagte er.
Entdeckung der ATSP-Fähigkeiten
"ATSP sind eine neue Klasse von Vitrimeren, die die besten Eigenschaften herkömmlicher Kunststoffe in sich vereinen", so Naraghi. "Sie bieten die Flexibilität von Thermoplasten und gleichzeitig die chemische und strukturelle Stabilität von Duroplasten. Kombiniert man sie mit starken Kohlenstofffasern, erhält man ein Material, das um ein Vielfaches stärker ist als Stahl, aber leichter als Aluminium."
Was ATSP von herkömmlichen Kunststoffen unterscheidet, ist seine Fähigkeit zur Selbstheilung und Formwiederherstellung.
"Formwiederherstellung und Selbstheilung sind zwei Facetten desselben Mechanismus", erklärt Naraghi. "Bei der Formerholung geht es um den Austausch von Bindungen innerhalb eines kontinuierlichen Stücks Material - eine Art eingebaute 'Intelligenz'. Und bei der Selbstheilung gibt es eine Diskontinuität im Material wie einen Riss. Das sind die Eigenschaften, die wir untersucht haben.
Zur Untersuchung der Eigenschaften verwendeten die Forscher einen neuartigen Belastungstest, den zyklischen Kriechversuch.
"Wir haben unsere Proben wiederholt zyklisch mit Zug- oder Dehnungslasten belastet und dabei beobachtet, wie das Material Dehnungsenergie akkumuliert, speichert und abgibt", so Naraghi.
Durch die zyklische Belastung identifizierten die Forscher zwei kritische Temperaturen innerhalb des Materials.
"Die erste ist die Glasübergangstemperatur, also die Temperatur, bei der sich die Polymerketten leicht bewegen können, und die zweite ist die Verglasungstemperatur. Das ist die Temperatur, bei der die Bindungen thermisch so weit aktiviert werden, dass ein massiver Austausch von Bindungen stattfindet, der Heilung, Umformung und Erholung bewirkt", sagte er.
Das Team führte daraufhin Biegeermüdungstests durch und erhitzte das Material regelmäßig auf etwa 160 Grad Celsius, um die Selbstheilung auszulösen.
Die Ergebnisse zeigten, dass die ATSP-Proben nicht nur Hunderte von Belastungs- und Erhitzungszyklen überstanden, ohne zu versagen, sondern dass sie während des Heilungsprozesses sogar noch an Haltbarkeit gewannen.
"Ähnlich wie Haut sich dehnen, heilen und in ihre ursprüngliche Form zurückkehren kann, verformte sich das Material, heilte und 'erinnerte' sich an seine ursprüngliche Form und wurde dadurch haltbarer als bei seiner ursprünglichen Herstellung", so Naraghi.
Reißen, heilen, wiederholen
Naraghi und sein Team unterzogen das hitzebeständige ATSP fünf zermürbenden Belastungszyklen, denen jeweils eine Hochtemperaturbehandlung bei 280 Grad Celsius folgte.
Das Ziel? Die Leistung und die Selbstheilungseigenschaften des Materials zu bewerten.
Nach zwei vollständigen Schadensheilungszyklen erreichte das Material wieder nahezu seine volle Festigkeit. Beim fünften Zyklus sank die Heilungseffizienz aufgrund von mechanischer Ermüdung auf etwa 80 %.
"Mithilfe hochauflösender Bildgebung konnten wir feststellen, dass der Verbundwerkstoff nach der Beschädigung und Heilung dem ursprünglichen Design ähnelte, obwohl die wiederholte Beschädigung einen gewissen lokalen mechanischen Verschleiß verursachte, der auf Herstellungsfehler zurückzuführen ist", so Naraghi.
Dennoch blieben die chemische Stabilität und das Selbstheilungsverhalten des Materials über alle fünf Zyklen hinweg zuverlässig.
"Wir haben auch beobachtet, dass es keine thermische Degradation oder Zersetzung des Materials gab, was seine Haltbarkeit auch nach Beschädigung und Heilung beweist", so Naraghi.
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