Verbundwerkstoff repariert Mikrorisse durch elektrische Erwärmung

Ein Forschungsteam der North Carolina State University (NCSU) hat einen Verbundwerkstoff entwickelt, der strukturelle Schäden gezielt beheben kann und in Langzeittests eine außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit zeigte. Das Material richtet sich gegen das zentrale Schwachstellenphänomen faserverstärkter Kunststoffe: die Delamination, also die Schichtablösung innerhalb des Laminataufbaus.

In experimentellen Untersuchungen absolvierte der Verbundwerkstoff mehr als 1.000 kontrollierte Riss- und Reparaturzyklen. Die entwickelte Strategie kombiniert eine polymerbasierte Zwischenschicht mit integrierten, elektrisch aktivierbaren Heizlagen. Ziel ist es, die Nutzungsdauer faserverstärkter Bauteile, wie sie in Luftfahrt, Automobilbau, Windenergie und Raumfahrt eingesetzt werden, deutlich zu verlängern und Wartungsaufwand sowie Materialaustausch zu reduzieren.

Delamination als zentrale Herausforderung im Verbundwerkstoff

Faserverstärkte Polymer-Verbundwerkstoffe (FRP) werden aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht in Flugzeugen, Automobilen, Windturbinen, Raumfahrzeugen und weiteren strukturellen Anwendungen eingesetzt. Sie bestehen aus Lagen von Glas- oder Kohlenstofffasern, die durch eine Polymermatrix – häufig Epoxidharz – miteinander verbunden sind. Trotz ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit gilt die interlaminare Delamination seit den 1930er-Jahren als anhaltende Schwachstelle dieser Materialklasse.

Bei der Delamination bilden sich Risse innerhalb des Laminats, wodurch sich Faserlagen von der Matrix lösen. Dies reduziert die strukturelle Integrität und begrenzt die Lebensdauer konventioneller FRP-Bauteile, die typischerweise auf 15 bis 40 Jahre ausgelegt sind. Nach Angaben von Jason Patrick, Associate Professor für Civil, Construction and Environmental Engineering an der North Carolina State University und korrespondierender Autor der Studie, könnte der entwickelte Verbundwerkstoff eine langfristige Lösung darstellen. Eine deutlich verlängerte Nutzungsdauer würde Kosten und Arbeitsaufwand für Austausch beschädigter Komponenten reduzieren sowie Energieverbrauch und Abfallaufkommen in verschiedenen Industriezweigen senken.

Integration von Thermoplast und Heizschichten im Verbundwerkstoff

Der neue Verbundwerkstoff entspricht im Grundaufbau konventionellen Laminaten, ergänzt diese jedoch um zwei funktionale Komponenten. Mithilfe von 3D-Druck wird zunächst ein thermoplastisches Heilungsmaterial auf die Faserverstärkung aufgebracht. Dadurch entsteht eine polymerstrukturierte Zwischenschicht, die das Laminat zwei- bis viermal widerstandsfähiger gegen Delamination macht.

Zusätzlich werden dünne, kohlenstoffbasierte Heizschichten in das Material integriert. Wird elektrischer Strom angelegt, erwärmen sich diese Schichten aufgrund ihres elektrischen Widerstands. Die entstehende Wärme schmilzt den Thermoplast, der anschließend in Risse und Mikrofrakturen fließt. Nach dem Abkühlen verbindet das Material delaminierte Grenzflächen erneut und stellt die strukturelle Leistungsfähigkeit wieder her. In realen Anwendungen würde die Aktivierung nur nach tatsächlicher Beschädigung – etwa durch Hagel, Vogelschlag oder andere Ereignisse – oder im Rahmen planmäßiger Wartungsintervalle erfolgen.

1.000 Prüfzyklen im automatisierten Zugversuch

Zur Bewertung der Dauerhaftigkeit entwickelte das Forschungsteam ein automatisiertes Testsystem. Dabei wurde ein FRP-Laminat wiederholt einer Zugbelastung ausgesetzt, wodurch jeweils eine 50 Millimeter lange Delamination erzeugt wurde. Anschließend wurde eine thermisch aktivierte Reparatur ausgelöst. Dieser Zyklus aus Rissbildung und Wiederherstellung wurde über einen Zeitraum von 40 Tagen insgesamt 1.000-mal durchgeführt. Nach jedem Reparaturvorgang wurde gemessen, welcher Last das Material erneut standhalten konnte, bevor es wieder zur Delamination kam.

Laut Jack Turicek, Erstautor der Studie und Doktorand an der North Carolina State University, lag die Bruchzähigkeit des Verbundwerkstoffs zu Beginn deutlich über jener unveränderter Referenzmaterialien. Aufgrund dieser erhöhten Ausgangszähigkeit widerstand das Material mindestens 500 Zyklen lang besser als derzeit eingesetzte laminierte Verbundwerkstoffe. Zwar nahm die interlaminare Zähigkeit mit wiederholter Heilung langsam ab, jedoch nur graduell. Als Ursachen identifizierte die Studie das fortschreitende Brechen spröder Verstärkungsfasern, wodurch Mikrotrümmer entstehen, die Wiederverbindungsstellen begrenzen, sowie abnehmende chemische Reaktionen an den Grenzflächen zwischen Thermoplast, Faser und Polymermatrix.

Statistische Modellierungen deuten dennoch darauf hin, dass eine fortgesetzte Reparatur über sehr lange Zeiträume möglich bleibt. Die Forschenden schätzen, dass der Verbundwerkstoff bei vierteljährlicher Aktivierung etwa 125 Jahre und bei jährlicher Aktivierung bis zu 500 Jahre funktionsfähig sein könnte. Nach Angaben von Patrick bietet dies insbesondere für großskalige und kostenintensive Technologien wie Flugzeuge und Windturbinen Vorteile. Als besonders relevant gilt der Ansatz für Raumfahrtsysteme, die in schwer zugänglichen Umgebungen betrieben werden und sich vor Ort nur eingeschränkt reparieren lassen. Die Technologie wurde patentiert und über das Startup Structeryx Inc. lizenziert. Unterstützt wurde die Arbeit durch das Strategic Environmental Research and Development Program sowie die National Science Foundation.

Originalpublikation: Self-healing for the Long Haul: In situ Automation Delivers Century-scale Fracture Recovery in Structural Composites. Jack S. Turicek, Zach J. Phillips, and Jason F. Patrick, North Carolina State University; Kalyana B. Nakshatrala, University of Houston. Jan. 9, Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.2523447123