Universität Bayreuth erforscht neue Generation von Carbonfasern für High-Tech-Anwendungen
Carbonfasern sind in vielen Industriebranchen unentbehrliche Bestandteile von High-Tech-Materialien. Wissenschaftler*innen der Universität Bayreuth wollen jetzt eine neue Generation von Carbonfasern erforschen und entwickeln. Die Fasern sollen sich durch eine gesteigerte Festigkeit auszeichnen, selbst bei Temperaturen von mehr als 400 Grad Celsius stabil bleiben und dadurch ein noch breiteres technologisches Anwendungsspektrum ermöglichen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das Vorhaben ab Mai 2021 für die nächsten drei Jahre mit insgesamt mehr als 600.000 Euro.
In der Luftfahrt, im Automobilbau, in der Raumfahrt, im Bauwesen, in Windkraftanlagen, aber auch in Medizin- und Sportprodukten kommen heute Verbundwerkstoffe zum Einsatz, in denen Carbonfasern enthalten sind. Die Carbonfasern werden aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien industriell hergestellt. Sie sind sehr leicht und besitzen exzellente mechanische Eigenschaften, beispielsweise haben sie eine mehr als 35-fach höhere Festigkeit als das menschliche Haar. Daher sind faserverstärkte Kunststoffe und faserverstärkte Keramiken vielen anderen Werkstoffen überlegen und aus innovativen Industriezweigen nicht mehr wegzudenken. Allerdings haben die bislang verwendeten Carbonfasern einen Nachteil, der ihre Anwendungsmöglichkeiten bislang wesentlich einschränkt: Bei Temperaturen oberhalb von 400 Grad Celsius beginnen sie zu oxidieren und werden daher instabil. Infolgedessen sind sie für technologische Anwendungen, in denen Verbundwerkstoffe während längerer Zeiträume hitzebeständig sein müssen, nicht geeignet oder müssen sehr aufwendig geschützt werden.
Prof. Dr.-Ing. Stefan Schafföner (li.) und PD Dr. Günter Motz (re.) vor dem Ofen für die Herstellung der Carbonfasern bei 1400 Grad Celsius. Foto: Christian Wißler.
Das neue Forschungsvorhaben an der Universität Bayreuth zielt deshalb darauf ab, eine Generation kohlenstoffbasierter Fasern zu entwickeln, die sich ohne großen technischen Aufwand zu Verbundmaterialien weiterverarbeiten lassen, aber selbst bei sehr hohen Temperaturen stabil bleiben und eine gesteigerte Festigkeit aufweisen. Das Projekt verbindet Forschungserfahrungen aus der Makromolekularen Chemie und der Keramischen Werkstofftechnik. Es nutzt dabei hochmoderne Forschungstechnologien, die auf diesen Gebieten in den letzten Jahren an der Universität Bayreuth etabliert wurden. Von besonderer Bedeutung sind die Herstellung von Polymeren, die sich durch die jeweils gewünschten Strukturen und Eigenschaften auszeichnen, sowie das Elektrospinnen, das die Herstellung der feinstrukturierten Polymerfasern ermöglicht. Daran schließen sich die Prozesse der Aushärtung und Pyrolyse an, so dass die gesponnenen Fasern schließlich eine maßgeschneiderte Verstärkung von Kunststoffen oder Keramiken darstellen.
„Derzeit beobachten wir, dass der weltweite Markt für kohlenstoffbasierte Fasern sehr schnell wächst. Diese Fasern haben geradezu eine strategische Bedeutung für innovative High-Tech-Entwicklungen gewonnen. Dank der großzügigen Förderung durch die DFG werden wir in Bayreuth wichtige Beiträge zu dieser dynamischen Entwicklung leisten können“, sagt PD Dr. Günter Motz vom Lehrstuhl Keramische Werkstoffe. Prof. Dr. Andreas Greiner, Inhaber des Lehrstuhls Makromolekulare Chemie II, ergänzt: „In die anspruchsvollen Forschungsarbeiten im Rahmen des neuen Projekts werden wir von vornherein auch den wissenschaftlichen Nachwuchs einbeziehen, beispielsweise im Rahmen unseres Elitestudienprogramms ‚Macromolecular Science‘ im Elitenetzwerk Bayern oder auch bereits in den Masterstudiengängen ‚Polymer Science‘ und ‚Materialwissenschaft und Werkstofftechnik‘“.
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