Ein Team von Ingenieuren der North Carolina State University und der University of Houston gab kürzlich bekannt, dass sie ein neues faserverstärktes Verbundmaterial entwickelt haben, das sich nach strukturellen Schäden mehr als 1.000 Mal selbst reparieren kann. Gleichzeitig ist seine Anfangsfestigkeit deutlich höher als bei herkömmlichen Verbundwerkstoffen, die derzeit zur Herstellung von Schlüsselkomponenten wie Flugzeugflügeln und Rotorblättern von Windkraftanlagen verwendet werden. Es wurde von Forschern als „Game Changer“ in einer Vielzahl wichtiger Anwendungen beschrieben. Das Forscherteam geht davon aus, dass dieses Material die Lebensdauer wichtiger Ausrüstungsgegenstände wie Automobile, Flugzeuge, Raumfahrzeuge und Windkraftanlagen erheblich verlängern wird.

Dieser Durchbruch zielt auf ein häufiges Problem des „Delaminationsversagens“ bei Verbundwerkstoffen ab: Während des Betriebs trennt sich die Schichtstruktur im Inneren des faserverstärkten Polymers (FRP) mit der Zeit allmählich, was zu Rissen oder sogar Brüchen führt. Das neue Material ähnelt im Aussehen herkömmlichem FRP, ist jedoch strukturell robuster und kann Delamination, Rissausbreitung und Gesamtstrukturschäden wirksamer verhindern.

Berichten zufolge haben die Forscher mithilfe der dreidimensionalen Drucktechnologie eine Zwischenschicht aus thermoplastischem „Selbstheilungsmittel“ mit einem bestimmten Muster zwischen den Schichten des Verbundmaterials eingebettet und so eine deutlich verbesserte Anti-Delaminierungsfähigkeit erreicht. Diese Zwischenschicht besteht aus Poly(ethylen-co-methacrylsäure) (EMAA), was die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen Delaminierungsschäden im Vergleich zu gewöhnlichem FRP um etwa das Zwei- bis Vierfache erhöht und so die Rissbildung und Strukturschäden deutlich reduziert.

Zusätzlich zur selbstheilenden Mittelschicht ist im Inneren des Materials auch eine kohlenstoffbasierte Heizschicht integriert. Dieses Design gilt als eine weitere Schlüsselinnovation. Wenn ein externer Strom angelegt wird, erhitzen und schmelzen diese Heizschichten die EMAA-Mittelschicht, wodurch sie in winzige Risse fließt, die beschädigte Grenzfläche wieder auffüllt und „verschweißt“ und den sogenannten „thermischen Reparaturprozess“ abschließt. Der Mechanismus beruht auf der Neuverknüpfung und dem Wiederaufbau der Polymerketten.

Um die Selbstheilungsfähigkeit dieses neuen Materials zu überprüfen, simulierten die Forscher die tatsächliche Betriebsumgebung, indem sie Zugbelastungen anwendeten und in den Proben künstlich Delaminationsfehler von etwa fünf Zentimetern Länge erzeugten. Anschließend aktivierte das Team den Selbstheilungsprozess mehrmals und führte diesen Belastungs-Schadens-Reparatur-Test bis zu 40 Tage lang wiederholt durch, also insgesamt 1.000 Zyklen, um die Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität des Materials unter wiederholten Schadens- und Reparaturbedingungen zu bewerten.

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das Material innere Schäden nach mehreren Schadens-Selbstheilungszyklen immer noch effektiv reparieren und eine hohe Zähigkeit ohne offensichtliche strukturelle Verschlechterung aufrechterhalten kann. Auf dieser Grundlage kam das Forschungsteam zu dem Schluss, dass sich die Lebensdauer wichtiger Komponenten voraussichtlich von derzeit typischen Jahrzehnten auf Hunderte von Jahren verlängern wird, wenn dieses Material in großem Maßstab in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, erneuerbaren Energien und der Automobilindustrie eingesetzt wird.

Jack Turicek, der Erstautor des Papiers, sagte, dass dieses neue Material im Vergleich zu herkömmlichen Verbundwerkstoffen von Anfang an stärker sei und strukturellen Schäden während mindestens 500 Schadensreparaturzyklen besser standhalten könne. Obwohl die Zähigkeit des Materials mit zunehmender Reparaturzahl allmählich abnimmt, verläuft dieser Zerfallsprozess sehr langsam, wodurch sich die Nutzungsdauer der betreffenden Teile theoretisch auf etwa 500 Jahre verlängern lässt, während die typische Lebensdauer herkömmlicher FRP-Verbundwerkstoffe meist nur 15 bis 40 Jahre beträgt.

Die Forscher wiesen darauf hin, dass, wenn dieses Material in technischen Anwendungen eingesetzt werden kann, es dazu beitragen wird, die Betriebs- und Wartungskosten zu senken, indem die Lebensdauer wichtiger Komponenten verlängert und die Austauschhäufigkeit verringert wird. Darüber hinaus werden der Energieverbrauch und die Emissionen fester Industrieabfälle durch die Reduzierung des Herstellungs- und Ersatzbedarfs gesenkt, was sich positiv auf die Industrieabfallwirtschaft und den Umweltschutz auswirken wird. Sie betonten jedoch auch, dass aktuelle Tests immer noch hauptsächlich in Laborumgebungen durchgeführt werden und Materialien Langzeittests unter realen Arbeitsbedingungen durchlaufen müssen, bevor sie wirklich als ausgereifte und zuverlässige technische Lösungen angesehen werden können.