Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Selbstheilende glasfaserverstärkte Faserverbundwerkstoffe

Beim Einsatz von Faserverbundbauteilen entstehen durch unterschiedliche Belastungsarten Mikroschädigungen. Durch weitere Belastung und im Zuge polymerbedingter Alterungsprozesse führen diese zu Makrorissen und weiter zur Delamination von Faser und Matrix. Durch die Sprödigkeit der Materialien tritt ein Bauteilversagen zumeist spontan ein, wodurch unvorhersehbare Gefahrenpotenziale für Mensch und Umwelt und hohe wirtschaftliche Schäden entstehen.

Im vorliegenden Projekt sollen Selbstheilungssysteme für Composite entwickelt werden. Dies soll durch die Implementierung von langzeitstabilen aushärtenden Füllungen in Glashohlfasern realisiert werden, die beim Auftreten einer Rissbildung spontan aushärten. Dazu werden mit Monomer gefüllte Glashohlfasern als Kurzfasern in der Harzmatrix dispergiert eingesetzt. Bei einer Rissbildung im GFK-Laminat werden die im Riss liegenden Hohlfasern geschädigt, das Monomer tritt in den Mikroriss aus und härtet durch Polymerisation an einem Katalysator aus. Damit werden die mechanischen Eigenschaften des Bauteils im Bereich des Risses wieder hergestellt. Die geplanten katalytisch aktivierbaren Isocyanat-Systeme weisen eine hohe Langzeitstabilität auf. Durch die Anwesenheit geringer Spuren eines Zinn-basierten Katalysators wird die Polymerisation im Mikroriss ausgelöst.

Die Arbeitsschritte im Projekt sind die Auswahl und Optimierung der Isocyanat-Systeme und Hohlfasern, deren Füllung mit Monomer, deren Einmischen in das Epoxidharz und das Einarbeiten des Katalysators in die Matrix. Das Bruchverhalten der Glashohlfasern wird durch den Einsatz von angepassten Faserschlichten optimiert. Die Selbstheilungsfunktion wird im Projektverlauf sowohl an Prüflingen ohne als auch mit Endlosfaserverstärkung unter dynamischen Belastungen ermittelt.

Durch die Selbstreparaturfunktion sollen sicherheitsrelevante Bauteile mit geringerem Sicherheitsfaktor auslegbar werden oder die Bauteile höhere Standzeiten erzielen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurden Glashohlfasern (GHF) als Speicherdepots für aushärtbare Monomere verwendet. Hierzu wurde ein neues System auf Basis von Diolen einerseits und Diisocyanaten andererseits verwendet, welche in Gegenwart eines speziellen Zinnkatalysators zu einem PU auspolymerisieren. Die einzusetzenden 2 Komponenten (Diisocyant und Diol) müssen hierbei eine ausreichende Stabilität/Latenzzeit bzw. eine geeignete Viskosität aufweisen. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird der Katalysator nicht homogen in der Matrix verteilt, sondern der Diol-Komponente in geringen Mengen zugemischt. Dies bringt eindeutige Vorteile hinsichtlich der Handhabung und der Kosten.

Durch eine spezielle Befüllungstechnik der GHF-Rovings bzw. GHF-Gewebe sowie die Nutzung eines Lasers zum Abschmelzen der Kapillaren war die Herstellung von mit Reaktivsubstanzen gefüllten GHF-Gebilden möglich. Diese wurden zusammen mit Normalglasgeweben zu mehrlagigen Verbunden verarbeitet, in Epoxidmatrices eingegossen und nach VAP- und VARI-Verfahren GFKs hergestellt. Diese wurden durch Schlag- oder Biegebeanspruchung mechanisch überbelastet, um Mikrorisse auszulösen. Bei Auftreten eines Spannungsrisses werden die Hohlfasern geschädigt und die getrennt gelagerten Monomere werden durch die Kapillarkräfte in den Riss transportiert. Beide Komponenten reagieren im entstandenen Riss miteinander, verfestigen sich und verhindern so eine weitere Ausbreitung des Risses bei erneuter mechanischer Belastung. So werden ca. 50% des initial eingetretenen Festigkeitsverlustes wieder repariert. Ein besonderer Vorteil des entwickelten selbstheilenden Systems sind die im Vergleich zu bekannten Systemen viel geringeren Einsatzmengen der notwendigen Komponenten, was enorme Kosten- aber auch Materialvorteile bringt.

Vorteilhafte Einsatzbereiche sind Fahrzeuge, die Luft- und Raumfahrt, der Schiffsbau, Architektur, die Energiegewinnung durch Windkraft oder Sportartikel in Bezug auf Gewichtsreduktion + CO2-Einsparung (ca. 10-30%).