Verbundwerkstoffe mit Graphen einen Schritt näher am 3D-Druck multifunktionaler zellulärer Strukturen für die Elektronik
Die außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften von Graphen – einer 2D-Schicht aus Kohlenstoffatomen in hexagonaler Gitterstruktur – hat Forschende reihenweise dazu angespornt, sein Potenzial zu erforschen. Graphen kommt derzeit in Dutzenden Verbraucher- und Technologieprodukten vor. Zahlreiche Teilbereiche in der Industrie haben große Hoffnung, auch bald von diesem Material zu profitieren. Mit einer Entwicklung könnten auf Graphen gestützte industrielle Innovationen besonders angespornt werden: Graphen-basierte Verbundwerkstoffe für die additive Fertigung. Das Projekt Graphene 3D wird über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt und hat eine Möglichkeit für optimierte, multifunktionale Graphen-basierte Polymerverbundstoffe für 3D-Druckanwendungen eröffnet. Darüber hinaus stand die Entwicklung von Strukturen mit der gewünschten elektromagnetischen Abschirmung und praktischen thermischen Eigenschaften mittels neuer Nanokomposite im Mittelpunkt.
Polymer-Verbundwerkstoffe mit fortschrittlichen Eigenschaften
„Wir haben unterschiedliche Zusammensetzungen der Verbundwerkstoffe basierend auf den fünf Polymerarten angereichert mit hybriden karbonatischen Nanomaterialien (eine Mischung aus Graphen und Kohlenstoffnanoröhrchen) vorbereitet“, berichtet die Leiterin der Projektöffentlichkeitsarbeit, Patrizia Lamberti. Alle Zusammensetzungen erwiesen sich als geeignet für 3D-Druck und wiesen im Vergleich zur reinen Polymer-Matrix gute elektrische Leitfähigkeit, eine hohe elektromagnetische Abschirmung und verbesserte thermische Eigenschaften auf. Darüber hinaus wurden die rheologischen und mechanischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials erhalten und in bestimmten Fällen sogar verbessert. Die Forschenden konzentrierten sich auf Schmelzschichtverfahren und selektives Lasersintern. Für diese 3D-Drucktechnologien wurden unterschiedliche Materialien vorbereitet aus einer Mischung aus Graphennanoplättchen, reduziertem Graphenoxid und mehrwandigen Kohlenstoffröhrchen, eingebettet in Polylactid, thermoplastischem Polyurethan, Ethenol, Polydimethyolsiloxan usw. „Bestimmte Verbundwerkstoffe, die im Projekt erzeugt wurden, sind einzigartig, andere übertreffen die Leistung aller auf dem Markt verfügbaren Verbundwerkstoffe. Die Verwendung einer soliden Konstruktionsmethodik hat enorm dazu beigetragen, Verbundwerkstoffe mit einer besseren Gesamtleistung als aktuelle zu erzeugen“, ergänzt Lamberti. Außerdem konnten die Schwellenwerte für die elektrische und rheologische Perkolation dank spezieller Vorbereitungsverfahren deutlich gesenkt werden. „Das ist besonders wichtig, denn so können mit weniger Nanostrukturen Verbundwerkstoffe mit gleichen Eigenschaften erzeugt werden“, erklärt Lamberti.
Starke, leichte kohlenstoffbasierte zelluläre Materialien
Über das Projekt konnten verschiedene zelluläre Materialstrukturen mit außergewöhnlicher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, mechanischer Stärke, wenig Gewicht und wirksamer Abschirmung vor Störeinflüssen durch Mikrowellen modelliert und geschaffen werden. „Die anvisierte Anwendung war die Verhinderung elektromagnetischer Störungen in empfindlichen Elektronikgeräten. Dafür wurden elektromagnetische Schutzschichten erstellt, die eingehende Strahlung absorbieren und nicht zurückwerfen. Gleichzeitig sollte die Schutzschicht nicht die Ableitung der Wärme verhindern, die durch Leistungselektronikgeräte erzeugt wird“, erläutert Lamberti. Mittels Schmelzschichtverfahren und einer Mischung aus Polylactid, Graphennanoplättchen und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen erzeugten die Forschenden drei generische Strukturen: schalltote Pyramidenstrukturen, periodische offenzellige Strukturen und „Waffelstrukturen“. Darüber hinaus wurde mittels selektivem Lasersintern der Prototyp einer „Russischen Matrjoschka“ aus thermoplastischem Polyurethan und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen geschaffen. Durch die Verbindung von drei aufkommenden Innovationsgebieten, der Graphen-Polymer-Nanotechnologie, der Materialkonstruktion und der additiven Fertigung, konnte Graphene 3D die interdisziplinäre, strategische Zusammenarbeit zwischen den Partnern sowie deren Ansehen stärken und den Grundstein für kommende gemeinsame Unternehmungen legen. Über das Projekt entstand auch ein „Gemeinsames Labor zu Graphen-Polymer-Forschung und Anwendungen“ für den Wissensaustausch innerhalb des Konsortiums. Zur Verbreitung der Projektaktivitäten wurden vier Konferenzen und ein Weiterbildungszentrum organisiert. Die Projektergebnisse wurden in 80 Artikeln in wissenschaftlichen Fachzeitschriften mit großer Reichweite veröffentlicht.
Schlüsselbegriffe
Graphene 3D, Verbundwerkstoffe, 3D-Druck, additive Fertigung, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhrchen, Schmelzschichtverfahren, selektives Lasersintern, Polylactid, Graphennanoplättchen, elektromagnetische Störung
