Faszination Technik Selbstheilender Verbundwerkstoff macht Bauteile haltbar

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Ein selbstheilender Verbundwerkstoff, der Bauteile von Flugzeugen, Automobilen und Raumfahrzeugen über Jahrhunderte haltbar machen kann.

Forschende der North Carolina State University haben einen selbstheilenden Verbundwerkstoff entwickelt, der zäher ist als derzeit in Flugzeugflügeln, Turbinenschaufeln und anderen Anwendungen eingesetzte Materialien – und sich über 1.000‑mal reparieren kann. Die Forschenden schätzen, dass ihre Selbstheilungsstrategie die Lebensdauer herkömmlicher faserverstärkter Verbundwerkstoffe im Vergleich zur heutigen, auf Jahrzehnte ausgelegten Nutzungsdauer um Jahrhunderte verlängern kann.„Das würde die Kosten und den Arbeitsaufwand für den Austausch beschädigter Verbundkomponenten erheblich senken und den Energieverbrauch sowie den Abfall vieler Industriezweige reduzieren – weil weniger defekte Teile manuell inspiziert, repariert oder entsorgt werden müssten“, sagt Jason Patrick, Korrespondenzautor der Veröffentlichung und außerordentlicher Professor für Bau-, Fertigungs- und Umweltingenieurwesen an der North Carolina State University.

Wir glauben, dass die von uns entwickelte Selbstheilungstechnologie eine langfristige Lösung für Delamination sein kann und Komponenten über Jahrhunderte haltbar macht – weit über die typische Lebensdauer konventioneller FRP‑Komposite von 15 bis 40 Jahren hinaus.

Komponenten über Jahrhunderte haltbar machen

Im Fokus der Forschenden stehen faserverstärkte Polymer-Verbundwerkstoffe (FRP), die mit ihrem hohen Festigkeit‑zu‑Gewicht‑Verhältnis punkten und häufig in Flugzeugen, Automobilen, Windturbinen, Raumfahrzeugen und anderen modernen Strukturanwendungen eingesetzt werden. FRP‑Verbundwerkstoffe bestehen aus Lagen von Fasern – etwa Glas- oder Carbonfasern –, die durch eine Polymermatrix, häufig Epoxidharz, gebunden sind. Die von den NC‑State‑Forschenden entwickelte Selbstheilungstechnik adressiert die interlaminare Delamination, bei der Risse im Verbund entstehen und die Faserlagen sich von der Matrix lösen.„Delamination ist seit den 1930er‑Jahren eine Herausforderung für FRP‑Komposite“, so Patrick. „Wir glauben, dass die von uns entwickelte Selbstheilungstechnologie eine langfristige Lösung für Delamination sein kann und Komponenten über Jahrhunderte haltbar macht – weit über die typische Lebensdauer konventioneller FRP‑Komposite von 15 bis 40 Jahren hinaus.“

Thermoplastischer Heilungsstoff wird additiv auf die Faserverstärkung gedruckt

Das selbstheilende Material ähnelt herkömmlichen FRP‑Kompositen, weist jedoch zwei zusätzliche Merkmale auf. Erstens drucken die Forschenden einen thermoplastischen Heilungsstoff per 3D‑Druck auf die Faserverstärkung und erzeugen so eine polymerstrukturierte Zwischenlage, die das Laminat zwei‑ bis viermal widerstandsfähiger gegen Delamination macht. Zweitens betten sie dünne, kohlenstoffbasierte Heizschichten in das Material ein, die sich beim Anlegen eines elektrischen Stroms erwärmen. Die Wärme schmilzt den Heilungsstoff, der in Risse und Mikrobrüche fließt und delaminierte Grenzflächen wieder verbindet – die strukturelle Leistungsfähigkeit wird so wiederhergestellt.Zur Bewertung der Langzeit‑Heilungsleistung baute das Team ein automatisiertes Prüfsystem, das wiederholt Zugkraft auf ein FRP‑Komposit aufbrachte, eine 50 Millimeter lange Delamination erzeugte und anschließend die thermische Wiederherstellung auslöste. Der Versuchsaufbau absolvierte 1.000 Bruch‑und‑Heil‑Zyklen kontinuierlich über 40 Tage und maß nach jeder Reparatur den Widerstand gegen Delamination. Anders gesagt: Die Forschenden brachen das Material auf exakt dieselbe Weise, heilten es und haben anschließend gemessen, welche Last es vor der erneuten Delamination tragen konnte – und das 1.000‑mal, eine Größenordnung über ihrem bisherigen Rekord.

Weil unser Komposit anfangs signifikant zäher ist als konventionelle Komposite, widersteht dieses selbstheilende Material Rissbildung für mindestens 500 Zyklen besser als gängige Laminatkomposite. 

„Wir stellten fest, dass der Bruchwiderstand des selbstheilenden Materials anfangs deutlich über dem unmodifizierter Komposite liegt“, sagt Jack Turicek, Erstautor der Studie und Doktorand an der NC State. „Weil unser Komposit anfangs signifikant zäher ist als konventionelle Komposite, widersteht dieses selbstheilende Material Rissbildung für mindestens 500 Zyklen besser als gängige Laminatkomposite. Und obwohl seine interlaminare Zähigkeit nach wiederholter Heilung abnimmt, geschieht dies sehr langsam.“In der Praxis würde die Heilung nur ausgelöst, nachdem das Material durch Hagel, Vogelschlag oder andere Ereignisse beschädigt wurde – oder im Rahmen geplanter Wartung. Die Forschenden schätzen, dass das Material 125 Jahre bei vierteljährlicher Heilung bzw. 500 Jahre bei jährlicher Heilung halten könnte.

Selbstheilung bleibt über sehr lange Zeiträume funktionsfähig

„Das ist offensichtlich wertvoll für großskalige und teure Technologien wie Flugzeuge und Windturbinen“, sagt Patrick. „Aber es könnte für Technologien wie Raumfahrzeuge besonders wichtig sein, die in weitgehend unzugänglichen Umgebungen arbeiten, wo Reparaturen vor Ort mit herkömmlichen Methoden schwierig oder unmöglich wären.“Die Studie liefert auch Erkenntnisse, warum die Wiederherstellung im Zeitverlauf langsam nachlässt. Mit fortgesetztem Zyklieren brechen die spröden Verstärkungsfasern schrittweise, wodurch Mikrobruchstücke entstehen, die erneute Bindungen behindern. Zudem nehmen chemische Reaktionen an den Grenzflächen zwischen Heilungsstoff, Fasern und Polymermatrix im Laufe der Zeit ab. Dennoch deuten Modelle darauf hin, dass die Selbstheilung über sehr lange Zeiträume funktionsfähig bleibt.