Revolution bei Bauteilen: selbstheilende Faserverbundwerkstoffe

News | Frank Kessler | 11.10.2019 Revolution bei Bauteilen: selbstheilende Faserverbundwerkstoffe
Foto: DITF

Faserverbundwerkstoffe finden immer dort Anwendung, wo Materialien stark beansprucht werden und dennoch leicht sein sollen. Damit eine hohe Festigkeit erreicht wird, müssen die verstärkenden Fasern mit einer Matrixkomponente zusammenspielen. Doch kleinste Risse können leicht zu einem sogeannnten Totalversagen führen. Im Rahmen eines aktuellen Forschungsprojektes hat sich eine Arbeitsgruppe mit glasfaserverstärkten und selbstheilenden Stoffen beschäftigt und dabei erstaunliche Ergebnisse erzielt.

Mit einem lauten Knall schlägt der schwere Zylinder aus Metall auf den Prüfkörper auf. Bei diesem Test wurde ein Faserverbundwerkstoff gezielt beschädigt. An der Schadensstelle sind weiße, lokale Beschädigungen zu sehen. Außerdem sind mikroskopisch kleine Risse zu erkennen. "Eine noch so kleine Schädigung eines Werkstoffs ist oft der Auslöser für ein sogenanntes Totalversagen eines Faserverbundbauteils, was sich in der Praxis katastrophal auswirken kann" erläutert Thomas Lehr, der sich in einem Forschungsprojekt mit der Vermeidung solcher Szenarien beschäftigt. "Wir arbeiten daran, das Risswachstum, also die Art und Schnelligkeit, wie sich ein Riss räumlich innerhalb eines Werkstoffs ausbreitet, zu verlangsamen oder sogar ganz zu verhindern."

Dem Wachstum von Rissen entgegenwirken

Ein Faserverbundwerkstoff wird dann eingesetzt, wenn das Material leicht sein soll und dennoch hohen Kräften standhalten soll. Sollte die Matrix beschädigt werden, wird durch die Verstärkungsfasern ein plötzliches Auseinanderbrechen verhindert. Wenn die Risse jedoch bereits vorhanden sind, können sie sehr schnell weiter wachsen. Die Faserverstärkung kommt dann an die Grenzen und das Bauteil versagt. "Man kann versuchen, Risse von außen mit flüssigem Harz zu tränken und damit zu versiegeln. Doch die Schäden, die sich weiter unter der Oberfläche befinden, sind damit nicht zu erreichen" erklärt Lehr. "Wir setzen deshalb im Inneren des Werkstoffs an und heilen Risse gleich, sobald sie entstehen".

Bei der Forschung wurden überzeugende Ergebnisse erzielt

Im Rahmen eines Forschungsprojekts hat die Arbeitsgruppe von Doktor Frank Gähr mit selbstheilenden, glasfaserverstärkten Faserverbundwerkstoffen beschäftigt und konnte erstaunliche Ergebnisse erzielen. Für den neuartigen Faserverbundwerkstoff, der solche gefüllten Hohlfasern enthält, bedeutet das: Tritt von außen eine Schädigung ein, dann brechen auch die Hohlfasern. PEG und Diisocyanat treten aus, durchsetzen das Rißsystem schnell bis in die feinsten Verästelungen und reagieren dann zu einem festen, niedermolekularen Polyurethan. Die Selbstheilung läuft autark ab, denn die Monomere reagieren bereits bei Raumtemperatur miteinander. Die Selbstheilung kann mit Hilfe von gefärbten Monomeren nachgewiesen werden. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Faserverbundwerkstoffe liegen dort, wo mechanisch stark belastbare Bauteile zuverlässig arbeiten müssen. Die typischen Anwendungsfelder sind Windkraftanlagenbau, Luft- und Raumfahrt und der Automobilbau.

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