Ein Frühwarnsystem für Schäden in Kompositmaterialien

Offshore-Windkraftanlagen vor Great Yarmouth (England). (Credit: Wikipedia / Rob Faulkner / CC-BY-SA 2.0)
Offshore-Windkraftanlagen vor Great Yarmouth (England). (Credit: Wikipedia / Rob Faulkner / CC-BY-SA 2.0)

Ein Team des National Institute of Standards and Technology (NIST) hat eine Methode entwickelt, um Veränderungen in weitverbreitet genutzten Kompositmaterialien zu überwachen, sogenannten faserverstärkten Polymeren. Solche Materialien kommen beispielsweise in der Luftfahrt und in Windkraftanlagen zum Einsatz. Das neue Hilfsmittel wird in diese Materialien integriert und kann helfen, die alterungsbedingten Schäden zu messen.

“Das gibt uns die Möglichkeit, bessere, alterungsbeständigere Kompositmaterialien zu entwickeln”, sagte der Chemiker Jeff Gilman vom NIST. “Wir können sehen, wann die Faser zu brechen beginnt. Wir haben jetzt eine Möglichkeit, um die Schäden zu beziffern.”

Seit den 1960er Jahren experimentieren Wissenschaftler mit Möglichkeiten, faserverstärkte Polymere leichter und stärker zu machen. Dabei wurde oft die Verbindung zwischen Faser und Harz getestet. Wie in einer früheren Veröffentlichung berichtet, fügte das NIST-Team kleine Moleküle hinzu, die nach dem Einwirken einer mechanischen Kraft aufleuchten. Diese Moleküle werden als Mechanophoren bezeichnet und verändern ihre Farbe oder leuchten auf, was bei der Identifizierung winziger, nanometergroßer Öffnungen oder Risse zwischen der Faser und dem Harz hilft.

Das NIST-Team hat diese Technologie auf die nächste Stufe gehoben, indem sie die Mechanophoren in das Kompositharz einbezogen. Obwohl es für das bloße Auge nicht sichtbar ist, erlaubt der neueste Ansatz den Wissenschaftlern, spezielle Mikroskopietechniken zu verwenden, um Schäden an den faserverstärkten Polymeren zu messen. Dafür wurde eine geringe Menge (weniger als 0,1 Massenprozent) eines fluoreszierenden Farbstoffs namens Rhodamin eingebracht, die keine nennenswerten Veränderungen an den physikalischen Eigenschaften des Materials verursacht.

Wenn die neue Mechanophore in Strukturen aus faserverstärkten Polymeren eingebettet wird, könnten Stabilitätsprüfungen vor Ort günstig und regelmäßig durchgeführt werden. Strukturen wie Windkrafträder könnten häufig und einfach auf innere Risse geprüft werden, sogar Jahre nach ihrer Errichtung.

Die erste Arbeit mit diesem neuen Werkzeug offenbarte auch eine Überraschung über Schäden an faserverstärkten Polymeren. Wenn eine Faser bricht, sendet sie eine Art Schockwelle aus, die sich durch das Material bewegt, erklärte Jeremiah Woodcock, der Hauptautor einer neuen Studie über die Mechanophore, veröffentlicht im Journal Composites Science and Technology In der Vergangenheit vermutete man, dass der Großteil der Schäden an der Position des Bruches auftritt.

“Als wir die Ergebnisse ansahen, vermuteten wir, dass es einen Halo aus Licht um den Bruch herum geben würde, der die Fluoreszenz der Mechanophore anzeigt”, sagte Woodcock. “Stattdessen stellten wir fest, dass die Schäden an Orten auftreten, die sehr weit entfernt von der Position des Faserbruches liegen. Es ist so, als würden wir von dem Erdbeben wissen, aber nicht von dem Tsunami, der nach ihm folgt.”

Die Mechanophoren-Forschung am NIST ergab außerdem, dass die existierenden Prüfungen die Stärke des Materials unbeabsichtigt verringerten. Das wiederum hat Designer und Ingenieure zur Neuentwicklung von faserverstärkten Polymeren veranlasst. Die Verwendung von Mechanophoren könnte daher die Energie- und Herstellungskosten senken und die Möglichkeiten zur Verwendung dieser Materialien in der Industrie steigern.

Abhandlung: Paper: “Damage sensing using a mechanophore crosslinked epoxy resin in single-fiber composites” von J.W. Woodcock, R.J. Sheridan, R. Beams, S.J. Stranick, W.F. Mitchell, L. Catherine Brinson, V. Gudapati, D. Hartman, A. Vaidya, J.W. Gilman und G.A. Holmes, Composites Science and Technology, 17. Februar 2020. DOI: 10.1016/j.compscitech.2020.108074

Quelle

(THK)

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