Kohlenstofffaserverstärkte Harzmatrix-Verbundwerkstoffe weisen eine bessere spezifische Festigkeit und Steifigkeit als Metalle auf, sind jedoch anfällig für Ermüdungsversagen. Der Marktwert von kohlenstofffaserverstärkten Harzmatrix-Verbundwerkstoffen könnte im Jahr 2024 31 Milliarden US-Dollar erreichen, aber die Kosten für ein strukturelles Gesundheitsüberwachungssystem zur Erkennung von Ermüdungsschäden könnten über 5,5 Milliarden US-Dollar betragen.
Um dieses Problem anzugehen, erforschen Forscher Nanoadditive und selbstheilende Polymere, um die Ausbreitung von Rissen in Materialien zu verhindern. Im Dezember 2021 schlugen Forscher des Rensselaer Polytechnic Institute der Washington University und der Beijing University of Chemical Technology ein Verbundmaterial mit einer glasartigen Polymermatrix vor, das Ermüdungsschäden rückgängig machen kann. Die Matrix des Verbundwerkstoffs besteht aus herkömmlichen Epoxidharzen und speziellen Epoxidharzen, sogenannten Vitrimeren. Im Vergleich zu gewöhnlichem Epoxidharz besteht der Hauptunterschied zwischen Verglasungsmitteln darin, dass beim Erhitzen über die kritische Temperatur eine reversible Vernetzungsreaktion stattfindet und es die Fähigkeit besitzt, sich selbst zu reparieren.
Selbst nach 100.000 Schadenszyklen kann die Ermüdung von Verbundwerkstoffen durch periodisches Erhitzen auf knapp über 80 °C rückgängig gemacht werden. Darüber hinaus kann die Nutzung der Eigenschaften von Kohlenstoffmaterialien, sich zu erwärmen, wenn sie elektromagnetischen HF-Feldern ausgesetzt werden, den Einsatz herkömmlicher Heizgeräte zur selektiven Reparatur von Komponenten ersetzen. Dieser Ansatz befasst sich mit der „irreversiblen“ Natur von Ermüdungsschäden und kann durch Ermüdung verursachte Schäden an Verbundwerkstoffen nahezu unbegrenzt rückgängig machen oder verzögern, wodurch die Lebensdauer von Strukturmaterialien verlängert und Wartungs- und Betriebskosten gesenkt werden.
KOHLENSTOFF-/SILIKONKARBIDFASER KANN ULTRAHOHEN TEMPERATUREN VON 3500 °C STANDHALTEN
Die Konzeptstudie „Interstellar Probe“ der NASA unter der Leitung des Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University wird die erste Mission sein, die den Weltraum jenseits unseres Sonnensystems erforscht und eine schnellere Reise als jedes andere Raumschiff erfordert. Weit. Um sehr große Entfernungen mit sehr hohen Geschwindigkeiten erreichen zu können, müssen interstellare Sonden möglicherweise ein „Obers-Manöver“ durchführen, bei dem die Sonde nahe an die Sonne heranschwenkt und die Schwerkraft der Sonne nutzt, um die Sonde in den Weltraum zu katapultieren.
Um dieses Ziel zu erreichen, muss ein leichtes Ultrahochtemperaturmaterial für den Sonnenschutz des Detektors entwickelt werden. Im Juli 2021 arbeiteten der amerikanische Hochtemperatur-Materialentwickler Advanced Ceramic Fibre Co., Ltd. und das Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University zusammen, um eine leichte Ultrahochtemperatur-Keramikfaser zu entwickeln, die hohen Temperaturen von 3500 °C standhalten kann. Die Forscher wandelten die äußere Schicht jedes Kohlenstofffaserfilaments durch einen direkten Umwandlungsprozess in ein Metallkarbid wie Siliziumkarbid (SiC/C) um.
Die Forscher testeten die Proben mithilfe von Flammtests und Vakuumerwärmung. Diese Materialien zeigten das Potenzial leichter Materialien mit niedrigem Dampfdruck, indem sie die derzeitige Obergrenze von 2000 °C für Kohlefasermaterialien erweiterten und eine bestimmte Temperatur bei 3500 °C hielten. Aufgrund seiner mechanischen Festigkeit soll es künftig im Sonnenschild der Sonde zum Einsatz kommen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 18. Juli 2022