Selbstheilende Polymere für Flugzeugkomposite
Selbstheilende Materialien erfordern minimale Wartung und verfügen über die Fähigkeit, ihre eigenen Mikrorisse und Brüche zu reparieren. Für die Luft- und Raumfahrtindustrie sind sie regelrecht zum „Heiligen Gral“ geworden. HIPOCRATES ist mit seinem Auftrag, selbstheilende Komposite auf Epoxidbasis zu konzipieren, ihrem Einsatz einen Schritt näher gekommen. Diese neuen selbstheilenden Materialien beruhten auf bereits weithin eingesetzten Harzen, so dass sie einfach in die gängigen Fertigungsverfahren der Luft- und Raumfahrt integriert werden könnten. Laminierte Polymerkompositwerkstoffe werden bei Flugzeugteilen wie Triebwerkspropellern, Flugzeugrumpfteilen und Innenraumkomponenten sowie Mikrorissen eingesetzt. Mikrorisse sind jedoch ein großes Problem und verringern die Festigkeit der Materialien. Bislang erforderten Reparaturen manuelles Eingreifen, aber mit der im letzten Jahrzehnt angestoßenen Entwicklung der selbstheilenden Polymermaterialien könnte sich das ändern. Selbstheilende Mechanismen sind bereits im Zusammenhang mit Beton, Asphalt, Hydrogelen und biomedizinischen Polymeren erforscht worden. „Die Strategie weist einen vielversprechenden Weg, um die Lebensdauer von Polymerkomponenten zu verlängern“, sagt HIPOCRATES-Koordinatorin, Dr. Sonia Flórez von TECNALIA in San Sebastián, Spanien. Die Auslegung struktureller selbstheilender Polymerkompositmaterialien für die Luft- und Raumfahrtindustrie war laut Aussagen von Flórez eine Herausforderung, „denn es gibt verschiedene praktische Einschränkungen, die überwunden werden müssen.“ Dazu gehörten die Heilungsrate, die Prozessstabilität sowie Kosten für Materialien und Fertigung. Sie fügt hinzu: „Ein bedeutender Schritt ist die Kompatibilität dieser Technologien mit gängigen Verarbeitungs- und Fertigungsverfahren.“ In diesem Sinne hat HIPOCRATES bekannte Chemien zur Selbstheilung in Epoxidharzsysteme, die bereits häufig als Luftfahrtkomposite verwendet werden, eingebracht, und Methoden entwickelt, um selbstheilende Technologien in existierende Verarbeitungsverfahren einzubinden. Das HIPOCRATES-Projekt erforschte zwei verschiedene Selbstheilungsstrategien. Eine davon hatte das Verkapseln von Mikrorissen zum Gegenstand. Flórez erklärt dazu: „Selbstheilungsmittel enthaltende Mikrokapseln werden dem Polymerkompositgemisch zugesetzt, in dem bereits ein Katalysator dispergiert ist, der die Reaktion startet. Erscheint nun ein Mikroriss, brechen die Kapseln auf und geben das Heilungsmittel frei, das mit dem Katalysator in Kontakt kommt. Die resultierende Polymerisationsreaktion verschließt den Riss und verhindert weiteres Risswachstum.“ HIPOCRATES konnte diese Strategie einen Schritt weiter in die Richtung der Entwicklung eines vollkommen in sich geschlossenen selbstheilenden Systems mit „Komplettmikrokapsel“ vorantreiben. Anstelle eines durchgehend in der Harzmatrix dispergierten Katalysators ist dieser in einer höheren Konzentration in der Hülle der Kapseln eingeschlossen, so dass die Heilungsreaktion wirkungsvoller erfolgen kann. Das zweite Verfahren setzte auf die Verwendung reversibler Polymere. „Diese Materialien enthalten innere Bindungen, welche den Schaden rückgängig machen und einen Riss bei Zuführung eines äußeren Reizes wie etwa Wärme, Bestrahlung oder elektrischer Induktion schließen“, sagt Flórez. Dieses Verhalten kann unter Einsatz verschiedener reversibler Polymere erreicht werden. HIPOCRATES synthetisierte und erprobte zwei davon, die zu Epoxidsystemen kompatibel sind und aus kostengünstigen kommerziellen Rohstoffen hergestellt werden können. Die von HIPOCRATES konzipierten Materialien wurden in kleinmaßstäblichen Demonstratoren getestet, indem man verschiedene Arten von Hochgeschwindigkeitseinschlägen nachahmte, denen Flugzeuge aufgrund von Zusammenstößen mit Vögeln, umherfliegenden Trümmern und Hagel ausgesetzt sind. Man testete die Wirkung von Druck und Stauchung auf die reparierten Materialien, um zu beobachten, ob eine Delaminierung auftritt und sie auseinanderbrechen würden. Eine Ultraschallanalyse der erprobten neuen Materialien ergab, dass Einschlags- und Kompressionsschäden durch den Einsatz selbstheilender Werkstoffe vermindert werden konnten. „Die eingelagerten Kapseln stellten einen gewissen Schutz vor dem ursprünglichen mechanischen Einschlag dar, jedoch ergaben beide Strategien nach der Heilung eine noch höhere Druckfestigkeit als zuvor“, erklärt Flórez. Die neuen Materialien wiesen eine um 5 bis 10 % höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Druckkräften auf, wodurch die reparierten Materialien allen möglichen Einschlägen gegenüber resistent wurden, die vor der Reparatur noch Schaden verursacht hätten. Die im Rahmen des HIPOCRATES-Projekts konzipierten neuen Komposite müssen noch im größeren Umfang erprobt werden, bevor sie in realen Anwendungen zum Einsatz kommen können, aber das Projektteam hofft, dass diese Selbstheilungsmaterialien schon in den nächsten fünf Jahren dazu beitragen können, Flugzeugkosten durch Bereitstellen einer Alternative zur teuren manuellen Prüfung und Reparatur zu senken.
Schlüsselbegriffe
HIPOCRATES, selbstheilende Polymere, Kompositmaterialien, Verbundwerkstoffe, Epoxidharze, Mikrokapseln, Luftfahrtkomposite
