Graphen-verstärkte Karbonfasern für Top-Autos
Ansatz soll günstige Fertigung des Werkstoffs ermöglichen und Fahrzeuge noch stabiler machen
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Simulation: Graphen für Fasern (Foto: M. Kowalik & A. van Duin, psu.edu) |
State College (pte003/20.05.2020/06:10) Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern sind zwar robust und leicht, doch bislang etwas teuer für den KFZ-Massenmarkt. Forscher an der Pennsylvania State University (Penn State) http://psu.edu setzen auf noch mehr Kohlenstoff, um das zu ändern. Denn Simulationen und Experimenten zufolge macht die Beigabe kleiner Mengen des 2D-Kohelnstoff-Materials Graphen Karbonfasern nicht nur noch robuster, sondern auch günstiger in der Fertigung - was ihnen den Weg in normale Autos ebnen könnte.
PAN als Grundlage
Karbonfasern sind aufgrund der guten Materialeingenschaften aus der Luftfahrt nicht mehr wegzudenken und kommen auch im Motorsport zum Einsatz. Für den Auto-Massenmarkt sind die Kosten aber noch etwas hoch. "Könnte man diese Eigenschaften leichter fertigen, könnte man Autos leichter, günstiger und sicherer machen", meint Adri van Duin, Professor für Maschinen- und Chemietechnik an der Penn State. Eben das hoffen er und seine Kollegen durch Graphen zu erreichen, indem sie mit dem 2D-Material die Fertigung von Karbonfasern optimieren.
Die Grundlage für die Fertigung der gängigsten Karbonfasern ist derzeit nämlich meist das Polymer Polyacrylnitril (PAN). Dieses ist einerseits selbst relativ teuer, andererseits ist die Verarbeitung aufgrund in jedem Verarbeitungsschritt immer höherer erforderlicher Temperaturen sehr energieaufwendig. Die Forscher konnten nun zeigen, dass ein Beimengen von nur 0,075 Prozent Gewichtsanteil Graphen im ersten Schritt (dabei wird PAN auf 200 bis 300 Grad erhitzt, um zu oxidieren) letztlich 225 Prozent höhere Festigkeit und 185 Prozent mehr Steifigkeit bei den Karbonfasern zu erreichen.
Optimierung verstehen
Das Team, dem auch Forscher der University of Virginia http://www.virginia.edu und des Oak Ridge National Laboratory http://ornl.gov sowie Industriepartner angehören, hat sowohl Supercomputer-Simulationen als auch Laborexperimente genutzt. So konnte das Team laut van Duin nicht nur zeigen, dass die Graphen-Beigabe funktioniert, sondern auch verstehen, warum. "Dieses Wissen erlaubt uns den Prozess weiter zu optimieren." Die Schlüssel: Das Graphen hilft den PAN-Molekülen, sich geordnet auszurichten und Graphenränder haben bei hohen Temperaturen katalytische Eigenschaften.
Die Forscher befassen sich nun damit, ob es mithilfe von Graphen möglich ist, günstigere Ausgangsmaterialien für die Karbonfaser-Fertigung zu verwenden oder teure Fertigungsschritte einzusparen. Das Team hofft, die Kosten für gängige Karbonfasern so von 15 auf fünf Dollar pro Pfund zu senken. Möglicherweise ist der Ansatz auch geeignet, die Kosten weiterer teurerer Karbonfasern zu senken.
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