Neue Technologie löst langjährige Herausforderungen für sich selbst

Ingenieurforscher haben einen neuen selbstheilenden Verbundwerkstoff entwickelt, der es Strukturen ermöglicht, sich an Ort und Stelle selbst zu reparieren, ohne dass sie außer Betrieb genommen werden müssen. Diese neueste Technologie löst zwei seit langem bestehende Herausforderungen für selbstheilende Materialien und kann die Lebensdauer von Strukturkomponenten wie Windturbinenblättern und Flugzeugflügeln erheblich verlängern.

„Forscher haben eine Vielzahl selbstheilender Materialien entwickelt, aber frühere Strategien für selbstheilende Verbundwerkstoffe standen vor zwei praktischen Herausforderungen“, sagt Jason Patrick, korrespondierender Autor der Forschungsarbeit und Assistenzprofessor für Bau-, Bau- und Umweltingenieurwesen an der North Carolina State University. „Zuerst müssen die Materialien oft außer Betrieb genommen werden, um zu heilen. Einige erfordern beispielsweise das Erhitzen in einem Ofen, was bei großen Bauteilen oder während der Verwendung eines bestimmten Teils nicht möglich ist. Zweitens funktioniert die Selbstheilung nur für einen begrenzten Zeitraum. Beispielsweise könnte das Material einige Male heilen können, wonach seine selbstheilenden Eigenschaften deutlich nachlassen würden. Wir haben einen Ansatz entwickelt, der diese beiden Herausforderungen sinnvoll angeht und gleichzeitig die Festigkeit und andere Leistungsmerkmale von Strukturfaserverbundwerkstoffen beibehält.“ In der Praxis bedeutet dies, dass Benutzer sich über einen viel längeren Zeitraum auf ein bestimmtes Strukturbauteil, beispielsweise einen Rotorblatt einer Windkraftanlage, verlassen können, ohne sich Gedanken über einen Ausfall machen zu müssen. „Indem wir die Langlebigkeit dieser Verbundwerkstoffe erhöhen, machen wir sie nachhaltiger“, sagt Patrick. „Und während Rotorblätter von Windkraftanlagen ein gutes Beispiel sind, finden strukturelle Verbundwerkstoffe in einer Vielzahl von Anwendungen Anwendung: Flugzeugflügel, Satelliten, Automobilkomponenten, Sportartikel und vieles mehr.“ So funktioniert der neue, selbstheilende faserverstärkte Verbundwerkstoff. Laminierte Verbundwerkstoffe bestehen aus Schichten faseriger Verstärkung, z. B. Glas- und Kohlefasern, die miteinander verbunden sind. Schäden treten am häufigsten auf, wenn der „Kleber“, der diese Schichten miteinander verbindet, beginnt, sich von der Verstärkung zu lösen oder zu delaminieren. Das Forschungsteam ging dieses Problem an, indem es ein Muster aus thermoplastischem Heilmittel in 3D auf das Verstärkungsmaterial druckte. Die Forscher betteten außerdem dünne „Heiz“-Schichten in den Verbundwerkstoff ein. Wenn elektrischer Strom angelegt wird, erwärmen sich die Heizschichten. Dies wiederum schmilzt das Heilmittel, das in etwaige Risse oder Mikrofrakturen im Verbundwerkstoff fließt und diese repariert. „Wir haben herausgefunden, dass dieser Vorgang mindestens 100 Mal wiederholt werden kann und dabei die Wirksamkeit der Selbstheilung erhalten bleibt“, sagt Patrick. „Wir wissen nicht, wie hoch die Obergrenze ist, falls es eine gibt.“ Der bedruckte Thermoplast erhöht außerdem die inhärente Bruchfestigkeit um bis zu 500 %, was bedeutet, dass mehr Energie erforderlich ist, um überhaupt eine Delaminierung herbeizuführen. Darüber hinaus bestehen die Heilmittel- und Heizschichten alle aus leicht erhältlichen Materialien und sind relativ kostengünstig. „Während die Herstellung von Verbundwerkstoffen, die unser Design integrieren, geringfügig teurer wäre, würden die Kosten durch eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer des Materials mehr als ausgeglichen“, sagt Patrick. Ein weiterer Vorteil der neuen Technologie besteht darin, dass die internen Heizelemente, wenn sie in die Tragflächen von Flugzeugen integriert werden, es den Fluggesellschaften ermöglichen würden, auf den Einsatz chemischer Mittel zur Entfernung von Eis von den Tragflächen am Boden und auch zur Enteisung im Flug zu verzichten. „Wir haben bewiesen, dass diese multifunktionale Technologie funktioniert“, sagt Patrick. „Wir suchen jetzt nach Regierungs- und Industriepartnern, die uns dabei helfen, diese Verbundwerkstoffe auf Polymerbasis für den Einsatz in bestimmten Anwendungen anzupassen.“

Der Artikel „Prolonged in situ Self-healing in Structural Composites via Thermo-Reversible Entanglement“ ist Open Access in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Erstautor des Artikels ist Alexander Snyder, ein Ph.D. Student an der NC State. Der Artikel wurde gemeinsam von Zachary Phillips und Jack Turicek, Ph.D., verfasst. Studenten an der NC State; Charles Diesendruck vom Technion–Israel Institute of Technology; und Kalyana Nakshatrala von der University of Houston. Die Arbeit wurde mit Unterstützung des US Air Force Office of Scientific Research unter der Fördernummer FA9550-18-1-0048 durchgeführt; und das strategische Umweltforschungs- und Entwicklungsprogramm des Verteidigungsministeriums unter der Fördernummer W912HQ21C0044.

-Schiffsmann-

Hinweis für Redakteure:Die Zusammenfassung der Studie folgt.

„Verlängerte In-situ-Selbstheilung in Strukturverbundwerkstoffen durch thermoreversible Verschränkung“

Autoren: Alexander D. Snyder, Zachary J. Phillips, Jack S. Turicek und Jason F. Patrick, North Carolina State University; Charles E. Diesendruck, Technion–Israel Institute of Technology; und Kalyana B. Nakshatrala, University of Houston

Veröffentlicht: 31. Oktober, Nature Communications

DOI: 10.1038/s41467-022-33936-z

Abstrakt: Natürliche Prozesse verschlechtern die Leistung eines Materials während seines gesamten Lebenszyklus kontinuierlich. Eine aufstrebende Klasse synthetischer selbstheilender Polymere und Verbundwerkstoffe verfügt über eigenschaftserhaltende Funktionen und verspricht eine längere Lebensdauer. Aufgrund der Materialheterogenität und der thermodynamischen Barrieren in häufig vernetzten Polymermatrixbestandteilen bleibt eine nachhaltige Reparatur von Strukturfaserverbundwerkstoffen im laufenden Betrieb jedoch unerfüllt. Die Bewältigung dieser inhärenten Herausforderungen für die mechanische Selbstwiederherstellung ist von entscheidender Bedeutung, um den Betriebsbetrieb zu verlängern und eine breite Akzeptanz solcher bioinspirierten Strukturmaterialien zu erreichen. Hier überwinden wir bestehende Hindernisse und berichten von einem Faserverbundwerkstoff, der eine winzige und längere In-situ-Heilung ermöglicht – 100 Zyklen: eine Größenordnung mehr als frühere Studien. Durch den 3D-Druck eines verformbaren Thermoplasts auf eine gewebte Glas-/Kohlenstofffaserverstärkung und die gemeinsame Laminierung mit elektrisch widerstandsbehafteten Heizzwischenschichten erreichen wir eine thermische In-situ-Reparatur der internen Delaminierung durch dynamische Bindungsneuverbindung. Die vollständige Bruchwiederherstellung erfolgt unterhalb der Glasübergangstemperatur des duroplastischen Epoxid-Matrix-Verbundwerkstoffs, wodurch die Steifigkeit während und nach der Reparatur erhalten bleibt. Es wird auch eine Entdeckung einer chemisch bedingten Verbesserung der thermischen Reparatur von Glas-auf-Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen enthüllt. Die deutliche Verlängerung der Lebensdauer, die diese Selbstheilungsstrategie bietet, verringert die kostspielige Wartung, erleichtert die Reparatur schwer zugänglicher Strukturen (z. B. Rotorblätter von Windkraftanlagen) und reduziert den Austausch von Teilen, was der Wirtschaft und der Umwelt zugute kommt.