Wo Materialien stark beansprucht werden und dennoch leicht sein sollen, werden Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Neue Erkenntnisse könnten den Einsatz revolutionieren.

Bereits kleinste Risse in dem zusammenhängenden Stoff, bestehend aus den verstärkenden Fasern im Zusammenspiel mit einer Matrixkomponente, können schon schlimme Folgen haben. In einem aktuellen Forschungsprojekt hat sich eine Arbeitsgruppe mit glasfaserverstärkten und selbstheilenden Stoffen beschäftigt und dabei erstaunliche Ergebnisse erzielt. Bei den Experimenten wurden gezielt Prüfkörper zum Beispiel durch das Einschlagen eines schweren Metallgegenstandes beschädigt und auf Schäden überprüft. An der Schadensstelle sind weiße, lokale Beschädigungen und mikroskopisch kleine Risse zu erkennen. „Eine noch so kleine Schädigung eines Werkstoffs ist oft der Auslöser für ein sogenanntes Totalversagen eines Faserverbundbauteils, was sich in der Praxis katastrophal auswirken kann“ erläutert Thomas Lehr, der sich in einem Forschungsprojekt mit der Vermeidung solcher Szenarien beschäftigt. „Wir arbeiten daran, das Risswachstum, also die Art und Schnelligkeit, wie sich ein Riss räumlich innerhalb eines Werkstoffs ausbreitet, zu verlangsamen oder sogar ganz zu verhindern.“ Sollte die Matrix des Verbundstoffes beschädigt werden, wird durch die Verstärkungsfasern ein plötzliches Auseinanderbrechen verhindert. Waren die Risse allerdings schon vorher vorhanden, können sie sehr schnell weiter wachsen. Da hilft oft auch die Faserverstärkung nicht mehr. „Man kann versuchen, Risse von außen mit flüssigem Harz zu tränken und damit zu versiegeln. Doch die Schäden, die sich weiter unter der Oberfläche befinden, sind damit nicht zu erreichen“ erklärt Lehr. „Wir setzen deshalb im Inneren des Werkstoffs an und heilen Risse gleich, sobald sie entstehen“.

Neuartige Forschungsergebnisse

Die Arbeitsgruppe von Doktor Frank Gähr hat sich im Rahmen eines Forschungsprojektes mit selbstheilenden, glasfaserverstärkten Faserverbundwerkstoffen beschäftigt und konnte erstaunliche Ergebnisse erzielen. Der neuartige Faserverbundstoff enthält gefüllte Hohlfasern. Tritt bei ihnen von außen eine Schädigung ein, dann brechen auch die Hohlfasern. PEG und Diisocyanat treten aus, durchsetzen die Risse schnell bis in die feinsten Verästelungen und reagieren dann zu einem festen, niedermolekularen Polyurethan. Mithilfe von gefärbten Monomeren konnte diese Selbstheilung zuverlässig nachgewiesen werden. Diese Technik könnte schon bald in belastungsstarken Bauten Verwendung finden. Dazu gehören zum Beispiel der Windkraftanlagenbau, die Luft- und Raumfahrt und der Automobilbau.