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Nanomaterialien

INVENT engagiert sich in der Entwicklung sogenannter Nanofaserkomposite. Dabei kommen Carbon-Nanotubes (CNT) zum Einsatz, welche aufgrund ihres großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses wie Fasern betrachtet werden können. Analog zu herkömmlichen Faserverbunden lassen sich damit Verbundwerkstoffe herstellen, welche die spezifischen Eigenschaften der CNT nutzen. Dies gilt zumindest in der Theorie. Praktisch ist es jedoch sehr herausfordernd, die CNT in sinnvoller Menge in Kunstharze einzubetten. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, forscht INVENT intensiv an innovativen Ansätzen zur Entwicklung von Produktionsmethoden für eine neue Klasse von Verbundwerkstoffen.

Der Einsatz von CNT in Verbundwerkstoffen bietet das Potenzial zur Herstellung von Werkstoffen, die sich durch völlig neuartige Kombinationen von Eigenschaften auszeichnen. So lassen sich beispielsweise schon mit geringsten Füllgraden Kunststoffe elektrisch leitfähig machen. Im Vergleich zu Kohlenstofffasern weisen CNT eine geringere Dichte auf – bei gleichzeitig deutlich höheren mechanischen Kennwerten. In der Theorie ermöglichen sie somit Strukturkomponenten mit bislang nicht realisierbarem Masse-Tragkraft-Verhältnis. Dafür ist es allerdings nötig, hohe CNT-Anteile mit gerichteter Faserausrichtung in einen Matrixwerkstoff einzubringen. Mit aktuellen Techniken ist dies noch nicht möglich. Auf dem Weg zu solchen auf CNT basierenden Strukturwerkstoffen steht jedoch eine Reihe von Entwicklungsstufen, an deren Realisierung INVENT gezielt arbeitet.

Stufe 1 umfasst CNT-Kurzfasern in zufälliger Orientierung, eingebettet in einem Matrix-Polymer. Der CNT-Füllungsgrad ist gering, der resultierende Werkstoff besitzt ein isotropes Verhalten. Solche Materialien werden eingesetzt, wenn elektrische Leitfähigkeit erforderlich ist oder wenn die Schrumpfung des Matrixharzes bei seiner Härtung vermindert werden soll.

Stufe 2: Dieser Werkstoff ähnelt Stufe 1, jedoch ist der CNT-Füllungsgrad deutlich höher: Er liegt im Bereich typischer Faserfüllungsgrade von herkömmlichen  Verbundwerkstoffen. Ein solcher Werkstoff zeichnet sich durch eine hohe Härte, gute elektrische Leitfähigkeit und gute thermomechanische Eigenschaften aus.

Ein CNT-Komposit der Stufe 3 stellt eine Weiterentwicklung von Stufe 2 dar, hier sind die einzelnen CNT parallel zueinander ausgerichtet. Werkstoffe dieser Art weisen gerichtete, teils hervorragende elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften auf und dürfen als Vorstufe zu Strukturwerkstoffen gesehen werden.

Im Werkstoff der Stufe 4 liegen die CNT als Endlosfasern oder Garn vor. Sie werden wie bei herkömmlichen Faserverbunden in Form eines Geleges oder Gewebes verarbeitet. Ein solcher Werkstoff wird selbst die leistungsfähigsten Kohlenstoff-Faserkomposite übertreffen, sobald es möglich wird, endlose CNT-Halbzeuge herzustellen.

INVENT erwartet erste Anwendungen in der Raumfahrt. Mehr als jeder andere erfordert dieser Bereich ultraleichte, Last tragende Komponenten mit hervorragender elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Auf längere Sicht sollten daraus Anwendungen in der Robotik, der Optik, dem Maschinenbau und der Luftfahrt erwachsen.

Neben den reinen CNT-Kompositen werden auch hybride Materialsysteme analysiert, bei denen die CNT als zusätzliche Komponenten in herkömmliche Faserverbunde integriert sind. Dies lässt sich durch ihre Beimischung in die polymere Matrix ebenso erreichen wie durch zusätzliche CNT-Schichten zwischen den Faserlagen. Auch Beschichtungen mit CNT zur Modifizierung von optischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften von Bauteilen sind vorstellbar und realisierbar.

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