Neu­ar­ti­ge Vlies­stof­fe aus Bay­reuth lei­ten elek­tri­schen Strom, aber kei­ne Wärme

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Hohes tech­no­lo­gi­sches Potenzial

Forscher*innen der Uni­ver­si­tät Bay­reuth stel­len in „Sci­ence Advan­ces“ neu­ar­ti­ge Vlies­stof­fe vor, die eine unge­wöhn­li­che Kom­bi­na­ti­on aus hoher elek­tri­scher Leit­fä­hig­keit und extrem nied­ri­ger Wär­me­leit­fä­hig­keit auf­wei­sen. Die Vlie­se stel­len einen Durch­bruch in der Mate­ri­al­for­schung dar: Mit einem ein­fach zu rea­li­sie­ren­den Mate­ri­al­kon­zept ist es gelun­gen, elek­tri­sche und ther­mi­sche Leit­fä­hig­keit zu ent­kop­peln. Die Vlie­se wer­den aus Koh­len­stoff und sili­zi­um­ba­sier­ter Kera­mik im Elek­tro­spinn­ver­fah­ren her­ge­stellt und sind attrak­tiv für tech­no­lo­gi­sche Anwen­dun­gen, bei­spiels­wei­se in der Ener­gie­tech­nik und Elek­tro­nik. Sie kön­nen kos­ten­güns­tig im indus­tri­el­len Maß­stab her­ge­stellt und ver­ar­bei­tet werden.

Prof. Dr. Seema Agarwal (links) und Dr. Xiaojian Liao (rechts) bei der Analyse von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen von Verbundvliesen, deren Fasern aus Kohlenstoff und Keramik bestehen. © UBT / Chr. Wißler.

Prof. Dr. See­ma Agar­wal (links) und Dr. Xia­o­ji­an Liao (rechts) bei der Ana­ly­se von ras­ter­elek­tro­nen­mi­kro­sko­pi­schen Auf­nah­men von Ver­bund­vlie­sen, deren Fasern aus Koh­len­stoff und Kera­mik bestehen. © UBT / Chr. Wißler.

Nor­ma­ler­wei­se geht eine hohe elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit mit einer hohen Wär­me­leit­fä­hig­keit und eine nied­ri­ge Wär­me­leit­fä­hig­keit mit einer nied­ri­gen elek­tri­schen Leit­fä­hig­keit ein­her. In vie­len High-Tech-Indus­trien besteht jedoch ein wach­sen­des Inter­es­se an mul­ti­funk­tio­na­len Mate­ria­li­en, die eine gute elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit mit einer gerin­gen Wär­me­leit­fä­hig­keit ver­bin­den. Mit die­sem stra­te­gi­schen Ziel wur­den bei­spiels­wei­se dich­te anor­ga­ni­sche Mate­ria­li­en, kon­ju­gier­te Poly­me­re und Legie­run­gen ent­wi­ckelt. Doch im Bereich der fle­xi­blen, falt­ba­ren Mate­ria­li­en ist es immer noch eine gro­ße Her­aus­for­de­rung, eine extrem nied­ri­ge Wär­me­leit­fä­hig­keit mit einer hohen elek­tri­schen Leit­fä­hig­keit zu kombinieren.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Querschnitts einer Faser des neuen Vliesstoffes: In der Kohlenstoff-Matrix sind mit Keramik gefüllte Bereiche gleichmäßig verteilt. © UBT

Ras­ter­elek­tro­nen­mi­kro­sko­pi­sche Auf­nah­me des Quer­schnitts einer Faser des neu­en Vlies­stof­fes: In der Koh­len­stoff-Matrix sind mit Kera­mik gefüll­te Berei­che gleich­mä­ßig ver­teilt. © UBT

Das For­scher­team an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth hat jetzt ein inno­va­ti­ves Kon­zept ent­wi­ckelt, um die­se Her­aus­for­de­rung zu lösen: Neue elek­tro­ge­spon­ne­ne Vlie­se wer­den aus Koh­len­stoff und sili­zi­um­ba­sier­ter Kera­mik her­ge­stellt, sie bestehen aus Fasern mit einem Durch­mes­ser zwi­schen 500 und 600 Nano­me­tern. Jede Faser ent­hält eine Matrix aus Koh­len­stoff. Dar­in sind win­zi­ge Berei­che, die nur weni­ge Nano­me­ter groß und mit Kera­mik gefüllt sind, gleich­mä­ßig ver­teilt. Die­se Kera­mik­pha­sen bil­den win­zi­ge „Inseln“ im „Meer“ der Koh­len­stoff­ma­trix und haben ent­ge­gen­ge­setz­te, sich ergän­zen­de Wir­kun­gen. Die Koh­len­stoff­ma­trix ermög­licht den Elek­tro­nen­trans­port in den Fasern und damit eine hohe elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit, wäh­rend die Kera­mik­pha­sen die Aus­brei­tung von Wär­me­en­er­gie eben­so wirk­sam ver­hin­dern. Das liegt dar­an, dass die Grenz­flä­che zwi­schen der nano­ska­li­gen Kera­mik und der Koh­len­stoff­ma­trix sehr stark ist, wäh­rend die Poren des Vlies­stoffs sehr klein sind. Infol­ge­des­sen kommt es zu einer star­ken Streu­ung von Pho­no­nen, den kleins­ten phy­si­ka­li­schen Ein­hei­ten von Schwin­gun­gen, die durch ther­mi­sche Ener­gie ver­ur­sacht wer­den. Ein kon­ti­nu­ier­li­cher gerich­te­ter Wär­me­fluss fin­det nicht statt.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Fasern im neuen elektrogesponnenen Vliesstoff, der eine hohe elektrische Leitfähigkeit, aber eine extrem geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. © UBT

Ras­ter­elek­tro­nen­mi­kro­sko­pi­sche Auf­nah­me von Fasern im neu­en elek­tro­ge­spon­ne­nen Vlies­stoff, der eine hohe elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit, aber eine extrem gerin­ge Wär­me­leit­fä­hig­keit auf­weist. © UBT

Wie unge­wöhn­lich die Kom­bi­na­ti­on aus hoher elek­tri­scher und extrem nied­ri­ger ther­mi­scher Leit­fä­hig­keit ist, zeigt ein Ver­gleich mit rund 4.000 ande­ren Mate­ria­li­en aller Art, dar­un­ter Kera­mi­ken, Koh­len­stof­fe, natür­li­che Mate­ria­li­en, syn­the­ti­sche Poly­me­re, Metal­le, Glä­ser und ver­schie­de­ne Ver­bund­stof­fe. Elek­tro­nen­trans­port und ther­mi­sche Ener­gie­iso­lie­rung sind bei dem neu­en elek­tro­ge­spon­ne­nen Faser­ver­bund­werk­stoff stär­ker gekop­pelt als bei den ande­ren Materialien.

„Unse­re elek­tro­ge­spon­ne­nen Vlie­se ver­ei­nen hoch­at­trak­ti­ve mul­ti­funk­tio­na­le Eigen­schaf­ten, die nor­ma­ler­wei­se auf ver­schie­de­ne Mate­ri­al­klas­sen ver­teilt sind: hohe elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit, ther­mi­sche Iso­lie­rung, wie man sie von Poly­mer­schäu­men kennt, sowie Nicht­ent­flamm­bar­keit und Hit­ze­be­stän­dig­keit, wie sie für Kera­mi­ken cha­rak­te­ris­tisch sind. Die Fasern basie­ren auf einem ein­fa­chen Mate­ri­al­kon­zept und wur­den aus han­dels­üb­li­chen Poly­me­ren her­ge­stellt,“ sagt Erst­au­tor Dr. Xia­o­ji­an Liao, Post­dok­to­rand für Makro­mo­le­ku­la­re Che­mie an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. „Wir sind über­zeugt, dass sich unse­re neu­en Fasern für meh­re­re Anwen­dungs­be­rei­che eig­nen: zum Bei­spiel in den Berei­chen Ener­gie­ma­nage­ment, bat­te­rie­be­trie­be­ne Elek­tro­mo­bi­li­tät, intel­li­gen­te Tex­ti­li­en oder Luft- und Raum­fahrt“, sagt Prof. Dr. See­ma Agar­wal, Pro­fes­so­rin für Makro­mo­le­ku­la­re Che­mie an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth und eine der kor­re­spon­die­ren­den Autor*innen der neu­en Stu­die. Die inter­dis­zi­pli­nä­re Zusam­men­ar­beit im Bay­reu­ther For­schungs­team, mit Exper­ti­se in den Berei­chen kera­mi­sche Werk­stof­fe, Poly­me­re, Elek­tro­spin­nen, Phy­si­ka­li­sche Che­mie und Elek­tro­nen­mi­kro­sko­pie, hat die­sen gro­ßen For­schungs­er­folg ermöglicht.

Inter­dis­zi­pli­nä­re Zusam­men­ar­beit auf dem Bay­reu­ther Campus

Bei der Ent­wick­lung des neu­en Mate­ri­als und den erfor­der­li­chen Vor­stu­di­en haben Bay­reu­ther Wissenschaftler*innen aus unter­schied­li­chen For­schungs­zen­tren zusam­men­ge­ar­bei­tet. Betei­ligt waren das Baye­ri­sche Poly­mer­in­sti­tut (BPI), das Bay­reu­ther Zen­trum für Kol­lo­ide und Grenz­flä­chen (BZKG), das Baye­ri­sche Geo­in­sti­tut (BGI) und das Baye­ri­sche Zen­trum für Bat­te­rie­tech­nik (Bay­Batt).

Ver­öf­fent­li­chung:

Xia­o­ji­an Liao, Jakob Denk, Tho­mas Tran, Nobuyo­shi Miya­ji­ma, Lothar Ben­ker, Sabi­ne Rosen­feldt, Ste­fan Schaf­fö­ner, Mar­kus Retsch, Andre­as Grei­ner, Gün­ter Motz, See­ma Agar­wal: Extre­me­ly low ther­mal con­duc­ti­vi­ty and high elec­tri­cal con­duc­ti­vi­ty of sus­tainable car­bon­ce­ra­mic elec­tro­s­pun non­wo­ven mate­ri­als. Sci­ence Advan­ces (2023), Vol 9, Issue 13, DOI: https://​www​.sci​ence​.org/​d​o​i​/​1​0​.​1​1​2​6​/​s​c​i​a​d​v​.​a​d​e​6​066