Nanomaterialien für fortschrittliche Verbundwerkstoffe
Durch das Einbetten von Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes, CNT) in eine Polymermatrix können potentiell Materialien mit multifunktionalen Eigenschaften entwickelt werden. Jedoch müssen zunächst mehrere Probleme gelöst werden, um elektrisch leitfähige Nanopartikel erfolgreich in Laminate aus Polymer-Verbundwerkstoff einzulagern. Zum Beispiel führen erhöhte Viskosität von Harz und die Filtration von Nanopartikeln zu defekten Laminaten. Eine weitere wichtige Herausforderung, die mit der zunehmenden Anwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (KFK) in Verbindung steht, ist der Mangel an zuverlässigen Qualitätssicherungsverfahren. Die Mitglieder des EU-finanzierten Projekts ELECTRICAL (Novel aeronautical multifunctional composite structures with bulk electrical conductivity and self-sensing capabilities) arbeiteten daran, das vorhandene Potential nanoverstärkter Harze hinsichtlich ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften weiterzuentwickeln. Die Wissenschaftler arbeiteten an alternativen, neuen Produktionsverfahren für nanoverstärkte kohlenstoffbasierte Kunststoffe, die mit aktuellen industriellen Fertigungsprozessen für Verbundwerkstoffe kompatibel sind. Verschiedene hochmoderne Fertigungstechnologien zur Umwandlung der CNT-Nanofüllstoffe in spezielle multifunktionale Vorformlinge, Prepregs oder Buckypapieren wurde für die weitere Anwendung mit KFK-Strukturen in Betracht gezogen. Die Nutzung von Nanofüllstoffen für gehärtete thermoplastische Fasern oder Faserschleier trug dazu bei, die durch das Harz erhöhte Viskosität und die Filtrationseffekte auszugleichen. Die Forscher von ELECTRICAL untersuchten die CNT-Eigenschaften für die Polymerharzdotierung, um neuartige multifunktionale Verbundwerkstoffstrukturen zu entwickeln, die über die elektrische Leitfähigkeit herkömmlicher Materialien sowie Selbstsensorik verfügen. Durch dielektrisches Mapping konnte der KFK-Aushärtungsvorgang überwacht und optimiert werden. Dieses Verfahren nutzt die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstoffnanoröhren, um nichtinvasive elektrische Messungen am Material in der Nähe des dielektrischen Sensors vorzunehmen. Darüber hinaus ermöglichte das piezoresistive Verhalten der CNT die Entwicklung innovativer KFK-Strukturen mit verteilter oder lokaler Selbstsensorik, was die Qualitätssicherung für das Endprodukt erleichtert. Die in ELECTRICAL geleistete Arbeit sollte die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Luftfahrtunternehmen gegenüber der globalen Konkurrenz steigern. Der wichtigste Markt besteht in Verbundwerkstoff-Rumpfbauteilen der nächsten Generation für große Luftfahrzeuge. Außerdem können diese modernen Verbundwerkstoffe auf anderen Märkten wie etwa in der Raumfahrt, im Fahrzeugbau und für den Schienenverkehr Anwendung finden.
Schlüsselbegriffe
Verbundwerkstoffe, elektrische Leitfähigkeit, Kohlenstoffnanoröhren, Luftfahrt, Selbstsensorik
