Aufgrund ihrer hohen Festigkeit und ihres geringen Gewichts ersetzen Verbundwerkstoffe auf Kohlenstofffaserbasis allmählich Metalle bei der Weiterentwicklung aller Arten von Produkten und Anwendungen, von Flugzeugen über Windkraftanlagen bis hin zu Golfschlägern. Aber es gibt einen Nachteil. Einmal beschädigt oder beeinträchtigt, lassen sich die am häufigsten verwendeten Kohlefasermaterialien kaum noch reparieren oder recyceln.
In einer in der Fachzeitschrift Carbon veröffentlichten Arbeit beschreibt ein Forscherteam eine neue Art von kohlenstofffaserverstärktem Material, das genauso stark und leicht ist wie die herkömmlich verwendeten Materialien, aber wiederholt mit Hitze geheilt werden kann, um Ermüdungsschäden rückgängig zu machen. Auf diese Weise ist es auch möglich, das Material abzubauen und zu recyceln, wenn es das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat.
"Die Entwicklung ermüdungsbeständiger Verbundwerkstoffe ist ein wichtiges Anliegen der Fertigungsindustrie", so Aniruddh Vashisth, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of Washington, der die Studie mitverfasst hat. "In dieser Arbeit demonstrieren wir ein Material, bei dem entweder herkömmliche Wärmequellen oder Hochfrequenzerwärmung eingesetzt werden können, um den Alterungsprozess umzukehren und auf unbestimmte Zeit zu verschieben."
Das Material gehört zu einer kürzlich entwickelten Gruppe, die als kohlenstofffaserverstärktes Vitrimer bekannt ist, benannt nach dem lateinischen Wort für Glas, das eine Mischung aus festen und flüssigen Eigenschaften aufweist. Die heute üblicherweise verwendeten Materialien, ob in Sportartikeln oder in der Luft- und Raumfahrt, sind kohlenstofffaserverstärkte Polymere.
Herkömmliche kohlenstofffaserverstärkte Polymere lassen sich typischerweise in zwei Kategorien einteilen: duroplastisch oder thermoplastisch. Die "ausgehärtete" Variante enthält ein Epoxid, ein leimähnliches Material, bei dem die chemischen Verbindungen, die es zusammenhalten, dauerhaft aushärten. Die "plastische" Version enthält eine weichere Art von Klebstoff, so dass sie wieder eingeschmolzen und nachbearbeitet werden kann, was jedoch bei hoher Festigkeit und Steifigkeit ein Nachteil ist. Vitrimere hingegen können sich verbinden, lösen und wieder verbinden, was einen Mittelweg zwischen den beiden Varianten darstellt.
Stellen Sie sich vor, jedes dieser Materialien sei ein Raum voller Menschen", sagt Vashisth. "Im Raum mit den Duroplasten halten sich alle Leute an den Händen und lassen nicht mehr los. Im Raum für Thermoplaste schütteln sich die Leute die Hände und bewegen sich herum. Im Vitrimer-Raum schütteln die Leute ihren Nachbarn die Hand, aber sie haben die Möglichkeit, den Händedruck auszutauschen und neue Nachbarn zu finden, so dass die Gesamtzahl der Verbindungen gleich bleibt. Diese Wiederverbindung ist die Art und Weise, wie das Material repariert wird, und diese Arbeit war die erste, die Simulationen auf atomarer Ebene einsetzte, um die zugrundeliegenden Mechanismen für dieses chemische Händeschütteln zu verstehen."
Das Forschungsteam ist der Ansicht, dass Vitrimere eine brauchbare Alternative für viele Produkte sein könnten, die derzeit aus Duroplasten hergestellt werden, was dringend notwendig ist, da sich die Duroplast-Verbundwerkstoffe auf den Mülldeponien zu häufen beginnen. Das Team sagt, dass heilbare Vitrimere einen bedeutenden Wandel hin zu einem dynamischen Material mit anderen Überlegungen in Bezug auf Lebenszykluskosten, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wartung darstellen würden.
"Diese Materialien können den linearen Lebenszyklus von Kunststoffen in einen zirkulären überführen, was ein großer Schritt in Richtung Nachhaltigkeit wäre", sagte Nikhil Koratkar, Mitautor der Studie und Professor für Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt und Nukleartechnik am Rensselaer Polytechnic Institute.
Weitere Informationen finden Sie unter:
https://www.materialstoday.com/composites/news/novel-carbon-fiber-composite-heal-heated/
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