Uni­ver­si­tät Bay­reuth erforscht neue Genera­ti­on von Car­bon­fa­sern für High-Tech-Anwendungen

Campusrondell der Universität Bayreuth
Campusrondell der Universität Bayreuth. Foto: © UBT

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.

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‘“.