Bahnbrechender intelligenter Kunststoff: Selbstheilend, formveränderbar und stärker als Stahl

Forscher aus den Bereichen Luft- und Raumfahrttechnik und Materialwissenschaften an der Texas A&M University haben neue Eigenschaften eines extrem widerstandsfähigen, recycelbaren und intelligenten Kunststoffs entdeckt – und damit den Weg für bahnbrechende Anwendungen in der Verteidigungs‑, Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilindustrie geebnet.

Der Durchbruch – finanziert vom US-Verteidigungsministerium und veröffentlicht in Macromolecules und dem Journal of Composite Materials – wurde von Dr. Mohammad Naraghi, Direktor des Nanostructured Materials Lab und Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der Texas A&M University, in enger Zusammenarbeit mit Dr. Andreas Polycarpou von der University of Tulsa geleitet.

Ihre Arbeit untersuchte die mechanische Integrität, Formrückstellung und Selbstheilungseigenschaften eines fortschrittlichen Kohlefaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffs namens Aromatic Thermosetting Copolyester (ATSP).

Heilung von Schäden auf Abruf

ATSP eröffnet neue Möglichkeiten in Branchen, in denen Leistung und Zuverlässigkeit entscheidend sind und Ausfälle keine Option sind.

„In der Luft- und Raumfahrt sind Materialien extremen Belastungen und hohen Temperaturen ausgesetzt“, sagte Naraghi. ​„Wenn eines dieser Elemente einen Teil eines Flugzeugs beschädigt und eine seiner Hauptfunktionen beeinträchtigt, könnte man eine Selbstheilung auf Abruf durchführen.“

Mit zunehmender Reife und Verbreitung von ATSP hat es das Potenzial, die gewerbliche und Konsumgüterindustrie, insbesondere den Automobilsektor, zu verändern.

„Aufgrund der Bindungsaustausche, die im Material stattfinden, kann man die Verformungen eines Autos nach einer Kollision wiederherstellen und vor allem die Fahrzeugsicherheit durch den Schutz der Insassen erheblich verbessern“, sagte Naraghi.

ATSP ist auch eine nachhaltigere Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen. Durch seine Recyclingfähigkeit ist das Material ideal für Branchen geeignet, die Umweltabfälle reduzieren möchten, ohne dabei Kompromisse bei der Haltbarkeit oder Festigkeit einzugehen.

„Diese Vitrimere können, wenn sie mit diskontinuierlichen Fasern verstärkt werden, einem Level-Cycling unterzogen werden – man kann sie leicht zerkleinern und in eine neue Form bringen, und das kann über viele, viele Zyklen hinweg geschehen, ohne dass sich die chemische Zusammensetzung des Materials wesentlich verändert“, sagte er

Die Fähigkeiten von ATSPs aufdecken

„ATSPs sind eine neue Klasse von Vitrimeren, die die besten Eigenschaften traditioneller Kunststoffe vereinen“, sagte Naraghi. ​„Sie bieten die Flexibilität von Thermoplasten mit der chemischen und strukturellen Stabilität von Duroplasten. In Kombination mit starken Kohlenstofffasern erhält man so ein Material, das um ein Vielfaches fester als Stahl und dennoch leichter als Aluminium ist.“

Was ATSP von herkömmlichen Kunststoffen unterscheidet, sind seine Selbstheilungs- und Formrückstellfähigkeiten.

„Formrückstellung und Selbstheilung sind zwei Facetten desselben Mechanismus“, erklärte Naraghi. ​„Formrückstellung bezieht sich auf den Bindungsaustausch innerhalb eines durchgehenden Materialstücks – eine Art eingebaute ​‚Intelligenz‘. Bei der Selbstheilung gibt es eine Unterbrechung im Material, wie beispielsweise einen Riss. Das sind die Eigenschaften, die wir untersucht haben.“

Um diese Eigenschaften zu untersuchen, verwendeten die Forscher einen neuartigen Belastungstest, den sogenannten zyklischen Kriechversuch.

„Wir haben unsere Proben wiederholten Zug- oder Dehnungsbelastungen ausgesetzt und dabei die Veränderungen beobachtet, wie das Material Spannungsenergie akkumuliert, speichert und wieder abgibt“, sagte Naraghi.

Mithilfe zyklischer Belastung identifizierten die Forscher zwei kritische Temperaturen innerhalb des Materials.

„Die erste ist die Glasübergangstemperatur, also die Temperatur, bei der sich die Polymerketten leicht bewegen können, und die zweite ist die Verglasungstemperatur. Das ist die Temperatur, bei der diese Bindungen thermisch so stark aktiviert werden, dass man massive Bindungsaustausche beobachten kann, die zu Heilung, Umformung und Wiederherstellung führen“, erklärte er.

Das Team führte dann Deep-Cycle-Biegeermüdungstests durch, bei denen das Material regelmäßig auf etwa 160 Grad Celsius erhitzt wurde, um die Selbstheilung auszulösen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die ATSP-Proben nicht nur Hunderte von Belastungs- und Erhitzungszyklen ohne Ausfall überstanden, sondern während des Heilungsprozesses sogar an Haltbarkeit gewannen.

„Ähnlich wie Haut sich dehnen, heilen und in ihre ursprüngliche Form zurückkehren kann, verformte sich das Material, heilte und ​‚erinnerte‘ sich an seine ursprüngliche Form, wodurch es haltbarer wurde als bei seiner Herstellung“, sagte Naraghi.

Riss, Heilung, Wiederholung

Naraghi und sein Team unterzogen das hitzebeständige ATSP fünf strapaziösen Belastungszyklen, denen jeweils eine Hochtemperaturexposition bei 280 Grad Celsius folgte.

Das Ziel? Die Leistungsfähigkeit und Selbstheilungseigenschaften des Materials zu bewerten.

Nach zwei vollständigen Schadens-Heilungs-Zyklen erreichte das Material wieder nahezu seine volle Festigkeit. Im fünften Zyklus sank die Heilungseffizienz aufgrund mechanischer Ermüdung auf etwa 80 %.

„Mithilfe hochauflösender Bildgebung konnten wir beobachten, dass der Verbundwerkstoff nach Beschädigung und Heilung dem ursprünglichen Design ähnelte, obwohl wiederholte Beschädigungen zu lokalem mechanischem Verschleiß führten, der auf Herstellungsfehler zurückzuführen war“, sagte Naraghi.

Dennoch blieben die chemische Stabilität und das Selbstheilungsverhalten des Materials über alle fünf Zyklen hinweg zuverlässig.

„Wir haben auch beobachtet, dass es zu keiner thermischen Zersetzung oder einem Zusammenbruch des Materials kam, was seine Haltbarkeit auch nach Beschädigung und Heilung belegt“, sagte Naraghi.

Innovation durch strategische Partnerschaften vorantreiben

Naraghis Arbeit, die vom Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) gefördert wird und in Zusammenarbeit mit ATSP Innovations durchgeführt wird, unterstreicht das Engagement der Texas A&M University, technologische Innovationen in revolutionäre Fähigkeiten umzusetzen, die die Prioritäten der US-Verteidigung und Industrie vorantreiben.

„Unsere Partnerschaften sind sehr wichtig“, sagte Naraghi. ​„Die Programmmanager des AFOSR unterstützen uns nicht nur finanziell, sondern arbeiten auch mit uns zusammen und geben uns wertvolle Hinweise zu Fragen, die möglicherweise übersehen worden wären. Unsere enge Zusammenarbeit mit ATSP Innovations hat sich ebenfalls als sehr fruchtbar und wichtig erwiesen.“

Der Durchbruch des Forschungsteams steht für mehr als nur eine neue Klasse von Materialien; er ist ein Entwurf dafür, wie mutige Wissenschaft und strategische Partnerschaften eine Zukunft neu definieren können, in der Kunststoffe nicht nur Bestand haben, sondern sich weiterentwickeln und anpassen.

„Meine Studenten und Postdoktoranden leisten die Schwerstarbeit – ich kann ihnen nicht genug danken“, fügte Naraghi hinzu. ​„Durch Versuch und Irrtum, Zusammenarbeit und Partnerschaften verwandeln wir spannende Neugier in wirkungsvolle Anwendungen.“

_{Übersetzt mit DeepL​.com (kostenlose Version)}