Ein Forschungsteam der Technischen Universität Chemnitz hat einen bemerkenswerten Fortschritt in der Entwicklung keramischer Verbundwerkstoffe erzielt. Diese Materialien integrieren Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT), um die Strukturüberwachung in Echtzeit zu ermöglichen. Die Leitung des Projekts obliegt Prof. Dr. Olfa Kanoun, Expertin für Mess- und Sensortechnik, sowie Prof. Dr. Daisy Nestler, die sich auf Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung spezialisiert hat. Die innovative Kombination dieser Materialien bietet neue Perspektiven für zahlreiche Industrien.
Wie tu-chemnitz.de berichtet, wird in diesen keramischen Verbundwerkstoffen die elektrische Leitfähigkeit der MWCNTs (mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren) ausgenutzt, um die Keramikstruktur selbst als Sensor zu gestalten. Dies vermeidet die Einschränkungen traditioneller Überwachungsmethoden, die in extremen Umgebungen oft nur bedingt einsetzbar sind, wie etwa Schallemission oder thermische Spannungsanalyse.
Innovativer Herstellungsprozess
Die Forscher verwenden einen fortschrittlichen Herstellungsprozess, der auf einem Lösungsmischungsansatz und Keramikspritzgießen beruht. Dadurch wird eine homogene Verteilung der CNT in der Keramikmatrix erreicht. Während des Sinterns bei 1.200°C bleibt die Integrität der Kohlenstoffnanoröhren erhalten, was entscheidend für die Funktionalität der sich selbst überwachenden Materialien ist.
Micro-strukturelle Analysen bestätigen, dass die CNTs effektiv mit der keramischen Matrix verbunden werden. Die Sensoren zeigen bemerkenswerte Dehnungsfaktoren von 7,99 im Bereich von 0 bis 160 Mikro-Dehnung sowie 2,12 bei 160 bis 380 Mikro-Dehnung. Zusätzlich weisen sie eine hohe Reproduzierbarkeit mit Abweichungen von weniger als 2,7 % zwischen Probekörpern auf. Dies zeigt, dass der Widerstand der Sensoren exponentiell mit der Dehnung ansteigt, wodurch eine sehr sensible Erkennung struktureller Verformungen ermöglicht wird.
Die Forschung wird im Rahmen des M-ERA.net Projektes des Horizon 2020 Programms der Europäischen Union durchgeführt. Zukünftige Anwendungen der entwickelten Materialien könnten in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und in Komponenten, die extremen Temperaturen von bis zu 1.650°C standhalten, liegen.
Vorteile der Kohlenstoff-Nanoröhren
Kohlenstoffnanoröhren sind bekannt für ihre außergewöhnlichen Eigenschaften. Sie weisen extreme Zugfestigkeiten von 30 bis 100 GPa sowie ein hohes Elastizitätsmodul von 1 bis 1,2 TPa auf. Zudem erreichen sie eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, die je nach Art zwischen 2000 und 6000 W/mK sowie 106 und 107 S/m liegt, wie ikts.fraunhofer.de erläutert.
Die konventionelle Herstellung von Keramikkompositen sieht vor, CNTs mit keramischen Pulvern zu vermischen, was jedoch oft zu Agglomeratbildung führt und die Materialeigenschaften mindern kann. Ein patentiertes Verfahren des Fraunhofer-Instituts nutzt eine nasschemische Präparationsroute, um Keramikpartikel mit CNTs zu beschichten, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Nanoröhren im Endprodukt erreicht wird. Dies hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten zur Folge, unter anderem in keramischen Heizelementen und reibungsarmen Wälzlagern.
Zusammenfassend sind die Entwicklungen an der Technischen Universität Chemnitz ein Schritt in Richtung der Schaffung hochleistungsfähiger Materialien, die nicht nur in der Industrie, sondern auch in zukünftigen Technologien von großem Nutzen sein können. Kohlenstoffnanoröhren spielen dabei eine entscheidende Rolle und deren Einsatz im Bereich der Nanotechnologie wird weiterhin intensiv erforscht. Kritiker warnen zwar vor potenziellen Risiken der Nanotechnologie, dennoch zeigen die aktuellen Fortschritte das immense Potenzial, das diese Technologien bereithalten.
