Neue faserverstärkte Hochleistungsnanocomposite: Herstellung, Struktur und Eigenschaften

Abstract

Mit der im DLR entwickelten Single-Line-Injection-Technik (SLI) wurde die werkstoffliche Optimierung von Faserverbunden durch die Verwendung von Nanocompositen überprüft. Anhand eines ausgewählten Nanopartikelsystems konnte gezeigt werden, dass die mechanischen und thermischen Leistungsparameter eines erprobten Hochleistungsepoxidharzes gezielt verbessert werden können. Näher betrachtet wurde ein mit nanoskaligem Si-liziumdioxid gefülltes Epoxidharz, welches gleichzeitig mit hoher Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit (K1C, G1C) im Vergleich zum Reinharz ausgestattet werden konnte (Steifigkeit/Zähigkeits-Paradoxon gelöst). Des Weiteren ließen sich der Harzschwund und die Wärmeausdehnung (CTE) wesentlich reduzieren und die Wärmeleitfähigkeit erhöhen. Die Injektionsfähigkeit der Nanocomposite blieb erhalten und auch die Dichte der so modifizierten Harze wurde nur unwesentlich erhöht (Leichtbauprinzip erfüllt). Die Ergebnisse ließen sich sehr gut auf Faserverbunde (GFK) übertragen, die mittels SLI-Technologie gefertigt wurden. Insbesondere die signifikante Zunahme des Zugmoduls und dessen große Linearität im Spannungs-Dehnungs-Diagramm führten zur Reduktion von Zwischenfaserbrüchen und zur Verbesserung der allgemeinen Werkstoffperformance (größere Schadenstoleranz) im Vergleich zum ungefüllten Faserverbund. Die verbesserten Werkstoffeigenschaften der faserverstärkten Nanocomposite sowie die kosteneffiziente Verbundfertigung mittels LRI-Technologie machen diese neue Werkstoffklasse für den Luft- und Raumfahrtbereich interessant.