Neue Kunststoff-Bauteile halten nun fast ewig
Selbstheilung
In Tests haben solche Bauteile bereits mehr als 1000 Verletzungen schadlos überstanden. Die «Wunderheilung» geschieht allerdings nicht spontan, sondern nur dann, wenn das Bauteil unter Strom gesetzt wird, heisst es.
Selten reparieren, weniger Abfall
«Das neue Material wird die Kosten und den Aufwand für die Erhaltung erheblich senken und den Energieverbrauch und das Abfallaufkommen vieler Industriezweige reduzieren, da viel seltener repariert und weniger Abfall entsorgt werden muss», unterstreicht Wissenschaftler Jason Patrick.
Es geht hierbei um faserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe, die wegen ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses häufig in Flugzeugen, Automobilen, Windkraftanlagen, Raumfahrzeugen und anderen modernen strukturellen Anwendungen eingesetzt werden.
Sie bestehen aus Schichten von Glas- oder Kohlenstofffasern, die durch eine Polymermatrix, häufig Epoxidharz, miteinander verbunden sind. Die Selbstheilungstechnik zielt auf die sogenannte Delaminierung ab, die auftritt, wenn sich Risse im Verbundwerkstoff bilden und die Faserschichten sich von der Matrix lösen.
Drähte und aufgedrucktes Plastik
Das neue Material ist genauso aufgebaut wie konventionelle Verbundwerkstoffe. Doch in die Fasern betten die Entwickler feine Drähte ein, die sich aufgrund ihres elektrischen Widerstands erwärmen, wenn ein elektrischer Strom hindurchgeleitet wird. Auf die Fasern tragen die Entwickler zudem per 3D-Druck kleine Mengen an thermoplastischem Kunststoff auf, ehe das Epoxidharz sie umhüllt.
Tritt ein Schaden auf, wird Strom durch das Bauteil geleitet, sodass ein Teil des Thermoplasts schmilzt, wobei es in die frisch entstandenen Mikrorisse fliessen kann und dort erkaltet. Normalerweise wird dieser Prozess allerdings routenmässig eingeleitet und das Bauteil beispielsweise alle sechs Monate erwärmt. Gibt es keine Risse, bleibt das Reparaturmaterial unangetastet, weil es nichts gibt, wohin es fliessen könnte.
40 Tage lang nichts als Stress
Um die langfristige Heilungsleistung zu bewerten, hat das Team ein automatisiertes Testsystem gebaut, das wiederholt Zugkraft auf ein Bauteil aus einem Verbundwerkstoff ausübt, wodurch bis zu 50 Millimeter lange Teile entstehen, die jeweils thermisch repariert werden. Die Stressmaschine lief 40 Tage lang ununterbrochen und die Forscher verzeichneten 1'000 Bruch- und Heilungszyklen.
«Wir haben festgestellt, dass die Bruchfestigkeit des selbstheilenden Materials deutlich über der von unmodifizierten Verbundwerkstoffen liegt. Da unser Verbundwerkstoff von Anfang an deutlich widerstandsfähiger ist als herkömmliche Verbundwerkstoffe, ist er nach 500 Zyklen noch genauso stabil wie normaler Verbundwerkstoff im Neuzustand», unterstreicht Forscher Jack Turicek. (pressetext.com)
