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30.10.2019 | Bauchemie | Im Fokus | Onlineartikel

Selbstheilende Faserverbundwerkstoffe

Autor:
Christoph Berger

Am Deutschen Institut für Textil- und Faserforschung (DITF) arbeitet man daran, das Risswachstum in Faserverbundwerkstoffen möglichst ganz zu verhindern. Mit selbstheilenden, glasfaserverstärkten Faserverbundwerkstoffen wurden überzeugende Ergebnisse erzielt.

"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 vom DITF, der sich in einem Forschungsprojekt mit der Vermeidung solcher Szenarien beschäftigt. Faserverbundwerkstoffe kommen laut dem gleichnamigen Kapitel im Springer-Fachbuch "Glasfasern" vor allem dort zur Anwendung, "wo hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht gefordert wird". Denn genau dort stoße man mit den konventionellen Werkstoffen an unüberwindbare Leistungsgrenzen, wie Roman Teschner schreibt. Weiter: "Erst neue Werkstoffe, insbesondere Faserverbundkunststoffe (FVK) ermöglichen eine Erweiterung der Leistungshorizonte in vielen Anwendungsbereichen." Ein weiterer Vorteil sei, dass Faserverbundkunststoffe sowohl Umwelt und Ressourcen schonen als auch durch Gewichtseinsparung den Energieverbrauch reduzieren würden. Teschner schreibt: "Um optimale Gewichtseinsparung zu erreichen, wird im Leichtbau auf Sandwichbauweise mit Wabenkern zurückgegriffen."

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Faserverbundwerkstoffe

In vielen Anwendungen, wo hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht gefordert wird, stößt man mit den konventionellen Werkstoffen an unüberwindbare Leistungsgrenzen. Erst neue Werkstoffe, insbesondere Faserverbundkunststoffe …

Wird die Matrix, die zum Beispiel aus Epoxid- oder Polyesterharzen bestehen kann, beschädigt, verhindern diese Verstärkungsfasern in begrenztem Rahmen das plötzliche Auseinanderbrechen, so das DITF. Doch sind Risse erst einmal vorhanden, würden sie schnell so stark wachsen, dass auch die Faserverstärkung auf ihre Grenzen treffe und das Bauteil versage.

Befüllte Glashohlfasergewebe als Lösung

Der Ansatz der Forscher ist daher, Risse direkt bei ihrer Entstehung zu "heilen", im Inneren des Werkstoffs. Möglich machen sollen das selbstheilende, glasfaserverstärkte Faserverbundwerkstoffe. Dazu tauschten die Wissenschaftler einzelne Lagen der verwendeten Glasfasergewebe eines Bauteils gegen Glashohlfasergewebe aus, die Hohlkanäle füllten sie zuvor mit flüssigen Chemikalien: In Kettrichtung nehmen die Kapillaren in den Fasern eine Mischung aus Polyethylenglykol (PEG) und einem speziellen Zinnkatalysator auf; die Fasern in Schussrichtung des Gewebes werden mit Diisocyanat befüllt. In unterschiedlichen Anordnungen und Schichten des Bauteils könnten dann mehrere derartig befüllter Glashohlfasergewebe platziert werden, so die Wissenschaftler. Durch die räumliche Trennung der chemischen Komponenten in Kette und Schuss würden die beiden Monomere für sich genommen über lange Zeiträume chemisch stabil und flüssig bleiben. Vermischen sich die Komponenten jedoch – zum Beispiel aufgrund von Beschädigungen, die zum Brechen der Hohlfasern führen – reagieren sie in kürzester Zeit zu einem festen Polyurethan. Und dies unter Raumtemperatur. So wird das Risssystem ausgefüllt und "heilt" sich sozusagen selbst.

Anwendungsbereiche für ihren neuen Faserverbundwerkstoff sehen die Forscher im Windkraftanlagenbau, bei der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau. Zunehmend würden Faserverbundwerkstoffe aber auch im Maschinen- und Anlagenbau an Bedeutung gewinnen. Doch nun muss das labortechnische Verfahren erst einmal in die Herstellung größerer Werkstücke überführt werden, um es dann in einen industriellen Maßstab zu übertragen.

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