Nanomaterialien zur Verbesserung von Komposit-Flugzeugteilen
Polymer-Nanokomposite sind eine neue Klasse von Verbundwerkstoffen, die ein hohes Maß an Aufmerksamkeit in Forschungslabors und der Industrie erhalten haben. Die einzigartigen und außergewöhnlichen elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) und Graphen machen sie zu attraktiven Füllstoffen, um Polymere zu verstärken und damit Hochleistungswerkstoffe zu bilden. Durch Einbetten von Nanomaterialien in kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffen (CFK) konnten die Forscher im Projekt CARHAY2011 (Design, manufacturing and impact testing of advanced composite materials) eine 50%-ige Erhöhung der CAI (Compression-After-Impact, CAI)-Stärke im Vergleich zu herkömmlichen CFK feststellen. Darüber hinaus wiesen die resultierenden Materialien eine verbesserte Bruchfestigkeit und Kompression auf. Das Hinzufügen von Nanomaterialien zur Verbesserung der CFK-Leistung ist besonders effektiv, wenn man Füllstoffdispersion und Grenzflächen-Wechselwirkung innerhalb der Polymermatrix optimiert. Bei den herkömmlichen Verfahren zur Optimierung der Dispersion wurden bisher starke Säurelösungen und Ultraschall verwendet, die keine skalierbare Produktion zulassen und möglicherweise den Nanokohlenstoff beschädigen können. Jedoch verwendete das CARHAY2011-Team ein innovatives Plasmabehandlungsverfahren, das ihnen erlaubte, die Menge und Art der verliehenen Veränderungen der Oberflächeneigenschaften des Füllstoffs zu steuern. Dieser neue Prozess der Oberflächenmodifikation ist skalierbar und energieeffizient. Durch die Verwendung von Harzinfusionen versteifte Platten im Vollmaßstab (0,9 x 0,6 m2) und testeten diese. Es wurden große Chargen von Harzen (bis 10 kg) mit CNT und Graphen-Füllstoffen hergestellt. Darüber hinaus zeigte das Team, dass es möglich ist, eine versteifte in einem Single-Shot-Verfahren zu fertigen, was zu leichteren und kostengünstigeren Strukturen führt. Verbesserung der CAI-Stärke von Verbundwerkstoffen durch Zugabe von Kohlenstoff-Nanomaterialien führt zu Gewichtsreduktionen, die sich in geringeren Kraftstoffverbrauch und damit niedrigeren Emissionen übersetzen. Die Projektergebnisse wurden durch eine Pressemitteilung, ein Poster und zwei Publikationen verbreitet.
Schlüsselbegriffe
Flugzeuge, Verbundwerkstoffe, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Harzinfusion