Billiges Graphen kann teures CFK ersetzen
Energieverbrauch und Kosten lassen sich stark reduzieren
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Hightech-Graphenplatte unter dem Elektronenmikroskop (Foto: ev.buaa.edu.cn) |
Peking/Dallas (pte002/09.05.2018/06:05) Forscher der chinesischen Beihang University http://ev.buaa.edu.cn haben zusammen mit Kollegen aus Texas http://utdallas.edu superfeste und äußerst harte Platten aus Kohlenstoff hergestellt. Diese lassen sich als Alternative zu kohlenfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) nutzen, aus denen heute unter anderem Teile für Flugzeuge und Autos hergestellt werden. Der Vorteil: Eine Herstellung der Platten ist bei einer Temperatur von 45 Grad Celsius möglich. Kohlenstofffasern benötigen eine Temperatur von 2.500 Grad. Energie- und Kosteneinsparungen sind also immens.
Perlmutt als natürliches Vorbild
Das Team um Qunfeng Cheng und Ray Baughman hat sich am Aufbau von Permutt orientiert, dem Verbundmaterial, das den Schalen vieler Tiere extreme Festigkeit verleiht. Es besteht aus einzelnen Lagen Calciumcarbonat, die durch einen organischen Kleber miteinander verbunden sind. Die Forscher versuchten es mit Graphen, einem Film aus Kohlenstoffatomen, die wabenförmig angeordnet sind. Obwohl nur eine Atomlage dick, ist dieser Film um ein Vielfaches fester als Stahl.
Werden viele dieser Filme übereinandergestapelt, ändert sich an der Festigkeit nichts. Sie bleibt so groß wie die einer einzigen Lage. "Anstatt die Filme aufeinanderzulegen, oxidieren wir kleine Graphenpartikel", sagt Baughman. "Dann verrühren wir sie mit Wasser und filtern das Graphen heraus. Es entstehen Graphenfilme." Der Prozess sei zu vergleichen mit der Papierherstellung. Dabei wird Zellstoff mit Wasser verrührt und abgeschöpft.
Kleber verfestigt Graphenplättchen
Die dünnen Filme aus oxidierten Graphenplättchen sind derzeit noch wenig belastbar. "Unser Trick: Wir verbinden die Plättchen mit einer Art Kleber, der benachbarte Plättchen an den Stellen verbindet, an denen sie sich überlappen", so Boughman. Dann werde der oxidierte Kohlenstoff reduziert, sodass wieder Graphen entsteht. Es seien chemische Kräfte, die die Plättchen miteinander verbinden. Dazu kämen Van-der-Waals-Kräfte.
"Unsere Filme können weit mehr Energie absorbieren als kohlenfaserverstärkte Kunststoffe, ehe sie zerstört werden", meint Chen. Die Filme seien nicht nur extrem fest. Sie leiten auch Strom und schirmen elektromagnetische Felder ab. "All diese Eigenschaften machen sie attraktiv für neuartige Anwendungen, die heute noch gar nicht angedacht sind", unterstreicht Sijie Wan, Doktorandin an der Beihang University und Mitglied des Teams.
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