Ein chinesisches wissenschaftliches Forschungsteam hat kürzlich eine neue Lösung für die Automobilbeschichtung vorgeschlagen, die Nanotechnologie und traditionelle Pigmente kombiniert und bei Massenmodellen ein „extremes schwarzes“ Erscheinungsbild erzielen soll, das einem „schwarzen Loch“ ähnelt. Diese neue Hybridbeschichtung kombiniert eine fortschrittliche, vertikal ausgerichtete, ultraschwarze Beschichtung mit Kohlenstoffnanoröhren (VACNT) mit einem herkömmlichen wasserbasierten Rußpigment-Sprühverfahren. Es verbessert die Haltbarkeit und industrielle Sprühbarkeit der Beschichtung erheblich und behält gleichzeitig die extrem hohe Lichtabsorptionsfähigkeit bei. Die Absorptionsrate der Beschichtung im sichtbaren Lichtbereich beträgt bis zu 99,90 % und sie reflektiert kaum Licht, wodurch ein starker visueller Immersionseffekt entsteht.
Hinter dieser Technologie steht die stark steigende Nachfrage nach schwarzem Autolack auf dem chinesischen Automobilmarkt. Früher machten Weiße etwa zwei Drittel des chinesischen Neuwagenmarktes aus, mittlerweile sind es fast ein Viertel. Es wird erwartet, dass in China in diesem Jahr etwa 7,5 Millionen neue schwarze Autos auf die Straße kommen werden, was sogar mehr ist als in den großen Märkten Europa und Nordamerika zusammen. In den Köpfen der Verbraucher ist tiefes Schwarz zu einem Symbol für Status und Luxus geworden, und die Marktpräferenzen verschieben sich von „jede Farbe reicht aus, solange sie weiß ist“ zu „Je dunkler, desto besser“.
Bereits 2019 verwendete BMW eine nanoskalige „Super Black“-Beschichtung auf einem X6-Konzeptauto, das damals als „schwärzestes Auto der Welt“ bezeichnet wurde. Sein Kernprinzip besteht darin, einfallendes Licht in der porösen Struktur einzufangen, indem auf der Oberfläche ein „Nanowald“ aus Kohlenstoffnanoröhren aufgebaut wird, wodurch eine Absorption von 98 % bis 99,9 % des Lichts im ultravioletten, sichtbaren und fernen Infrarotbereich erreicht wird. Allerdings ist diese Art der Beschichtung mit komplexen Prozessen, hohen Kosten und fragilen mechanischen Eigenschaften verbunden. Es war schwierig, die Anforderungen von Massenfahrzeugen hinsichtlich Spritzschutz, Witterungsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit zu erfüllen.
Der Schwerpunkt der vom chinesischen Team entwickelten ultraschwarzen Hybridbeschichtung liegt dieses Mal auf der Einführung traditioneller Rußpigmente unter Beibehaltung oder sogar Verstärkung des „Lichtfalleneffekts“ der Nanoröhrenanordnung. Die Forscher sorgten dafür, dass sich die Rußpigmentpartikel spontan entlang der Kohlenstoffnanoröhrenanordnung anordneten und eine raue Oberfläche aus mikroskopisch kleinen „Bergen und Tälern“ bildeten. Diese Struktur kann einfallendes Licht auch mehrfach streuen und einfangen, wodurch die Gesamtabsorptionsrate der Beschichtung im Bereich des sichtbaren Lichts über 99 % liegt. Im Vergleich zu den bisherigen fragilen reinen Nanoröhrenbeschichtungen verbessert dieses Hybridmaterial die mechanische Festigkeit und die Haftungseigenschaften erheblich und kommt den Anforderungen der Automobilindustrie an Massenproduktionsbeschichtungen näher.
Liu Zhiwei, ein Chemieforscher aus dem Farbtechnologieteam des zentralen Forschungs- und Entwicklungszentrums der Nippon Paint Group in Shanghai, sagte, dass die Körperfarbe auf dem chinesischen Markt zu einem der wichtigsten Verkaufsargumente geworden sei. Tiefschwarzer Autolack ist seit langem die ikonische Farbe von Luxusautos und wird wegen seines eleganten Aussehens, seiner starken visuellen Wirkung und seines luxuriösen Temperaments weithin geschätzt. Er wies darauf hin, dass Fahrzeughersteller aktiv nach ultraschwarzen Beschichtungslösungen suchen, die in großen Mengen hergestellt werden können und eine extreme Schwärze aufweisen, um ihr Markenimage im harten Wettbewerb zu stärken.
Im Hinblick auf die Prozessanpassung besteht einer der Höhepunkte dieser neuen Hybridbeschichtung darin, dass sie über eine herkömmliche Sprühproduktionslinie für die Automobilindustrie aufgetragen werden kann, ohne dass der bestehende Beschichtungsprozess vollständig umgebaut werden muss. Bei Tests, die Feuchtigkeit und Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt waren, stellte das Forschungsteam fest, dass die Beschichtung hinsichtlich der Langzeitstabilität gut abschneidet und wichtige Tests wie Feuchtigkeit, Wasserbeständigkeit und Haftung bestanden hat, was ein gutes Potenzial für eine industrielle Anwendung zeigt. Das Shanghai-Team hat die Sprühlackierung eines Modellautos abgeschlossen. Die Karosserie weist ein tiefes Schwarz auf, das nahezu nicht reflektiert, und die gewölbten Oberflächendetails der Karosserie sind im Licht nahezu unsichtbar.
Aus technischer Sicht ist die VACNT-Beschichtung (Vertical Aligned Carbon Nanotube Array) selbst eines der „schwärzesten“ Materialien, die der wissenschaftlichen Gemeinschaft bekannt sind. Seine nanoskalige Röhrenstruktur verläuft senkrecht zur Substratoberfläche und bildet extrem hohe Porosität und mehrere Streukanäle. Nachdem das einfallende Licht in den „Nanowald“ gelangt ist, wird es kontinuierlich gestreut und absorbiert, was ein Entweichen extrem erschwert und so eine extrem hohe Lichtabsorption erreicht. Bereits 2014 erregte Vantablack, entwickelt von der britischen Firma Surrey NanoSystems, aufgrund ähnlicher Prinzipien große Aufmerksamkeit und wurde in Bereichen wie der Kunst und der internen Auslöschung von Weltraumteleskopen eingesetzt.
Wenn es jedoch um anspruchsvolle Anwendungsszenarien wie Automobile geht, war die optimale Balance zwischen optischer Leistung und mechanischer und prozesstechnischer Leistung schon immer das größte Problem bei der technischen Umsetzung. Die vom chinesischen Team vorgeschlagene Hybridlösung aus Ruß und Kohlenstoffnanoröhren (CB-CNT) vereint dieses Mal die beiden Arten von Kohlenstoffmaterialien auf Mikroebene. Es nutzt nicht nur die superlichtabsorbierende Fähigkeit des Nanoröhren-Arrays, sondern stützt sich auch auf den ausgereiften Prozessweg und die physikalische Festigkeit des herkömmlichen Rußsystems und bietet so die Möglichkeit einer Massenproduktion im großen Maßstab.
Die Forscher sagten außerdem, dass sie in Zukunft voraussichtlich die Gradient Refractive Index Technology (GRIT) in dieses Hybridsystem einführen werden, d. Auf dem Gebiet der ultraschwarzen Materialien haben sich einige der neuesten Errungenschaften dem sogenannten „Vier Neunen“-Absorptionsgrad (99,99 %) angenähert, aber in diesem extremen Bereich ist die genaue Messung eine Herausforderung für sich.
Relevante Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Matter & Light“ veröffentlicht und über Cell Press und EurekAlert veröffentlicht. Branchenbeobachter gehen davon aus, dass die Nachfrage nach schwarzen High-End-Modellen auf dem lokalen Markt Chinas weiter wächst. Sobald diese Art von ultraschwarzer Beschichtung mit Massenproduktionsmöglichkeit bei OEMs tatsächlich eingeführt wird, wird damit ein neuer Wettbewerbsschwerpunkt in mehreren Dimensionen wie visuellem Design, Markenwiedererkennung und funktionaler Mattierung erwartet. Ob er tatsächlich den Titel „schwärzester Automobillack der Welt“ gewinnen kann, mag vor der Weiterentwicklung der Messtechnik noch schwer zu beurteilen sein, doch auf dem chinesischen Markt hat offensichtlich ein technischer und ästhetischer Wettbewerb um „extreme Schwarz“ begonnen.