Kohlenstoffhaltige Verbundwerkstoffe im Nanomaßstab
Verbundwerkstoffe (die sich aus verschiedenen Werkstoffen zusammensetzen, die eine klare Grenze untereinander aufweisen) sind ein grundlegender Baustein für leichtgewichtige und dennoch äußerst starke Strukturbauteile im Verkehrsbereich. Derartige Verbundwerkstoffe bestehen üblicherweise aus einer Harzmatrix, die in verstärkende Werkstoffe eingebettet wird. Unter den vielen Werkstoffen sind Glasfasern bestens bekannt, und Kohlefasern verschiedener Morphologie dienen auch als wichtiges Material zur Verstärkung. Mit dem Aufkommen der Nanotechnologie spielen Füllstoffe im Nanobereich, wie Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT), eine zunehmend wichtige Rolle für die Entwicklung neuartiger, multifunktionaler Verbundwerkstoffe. Die am EU-finanzierten Projekt BME CLEAN SKY 032 beteiligten Wissenschaftler verwenden CNT sowohl für die Epoxidharzmatrix als auch zur Verstärkung der Kohlefasern. Ihr Ziel ist die Herstellung von Bauteilen für die Luftfahrt, die verbesserte mechanische, elektrische und thermische Leistungen erbringen können. Die Verarbeitung derartig komplexer Werkstoffe ist keine leichte Aufgabe. Die Forscher konzentrierten sich auf eine dreistufige Masterbatch-Technik, um die CNT in der Epoxidharzmatrix aufzulösen. Masterbatch bezieht sich auf Polymergranulat und nicht auf Flüssigkeiten, Puder oder Pasten. Dieses Granulat sorgt für eine gleichmäßige Auflösung und eine erhöhte Prozessstabilität. Die Forscher verwendeten Elektrospinnning, um CNT-verstärkte Garne aus Kohlenstoff-Nanofasern zur quasi einseitig gerichteten Verstärkung einer Epoxid-CNT-Hybridmatrix herzustellen. Die vorbereiteten Laminatproben wurden anschließend getestet und charakterisiert. Mehrwandige CNT (MWCNT) waren sehr wirkungsvolle Verstärkungen der Epoxidmatrix, sowohl allein als auch in Verbindung mit konventionellen Kohlefasern. Diese Masterbatch-Mischungsmethode erreichte eine hervorragende Auflösung der MWCNT in Epoxidmatrizen. Dadurch sollte die Herstellung gebrauchsfertiger MWCNT-haltiger Epoxidharzbänder (Prepegs oder mit Faserverstärkung vorimprägniert) erleichtert werden. Darüber hinaus war das Verkokungsverfahren, das zur Herstellung der Kohlenstoff-Nanofasern entwickelt wurde, deutlich schneller und kostengünstiger als traditionelle Herstellungsverfahren. Die CNT-bestückten Kohlenstoff-Nanofasern wiesen eine hervorragende Leitfähigkeit, eine höhere Stabilität und auch bessere mechanische Eigenschaften auf. BME CLEAN SKY 032 hat eine Reihe wichtiger Werkstoffe und Verarbeitungstechniken hervorgebracht, von denen man erwartet, dass sie auf großes Interesse seitens der Verbundwerkstoffhersteller stoßen. Die Parameter, die für eine Herstellung in industriellem Maßstab erforderlich sind, wurden bestimmt, und die Vermarktung sollte die Entwicklung neuartiger verbesserter Verbundwerkstoffe in der Zukunft fördern.
