Mit ihrer unglaublichen Leichtigkeit, Steifigkeit und Festigkeit hat Kohlefaser viele Vorteile, aber selbst die verträumtesten Materialien haben ihre Nachteile.
Wissenschaftler haben lange versucht, das Problem der Verbrennungsneigung von Kohlefasern bei hohen Temperaturen zu lösen, und jetzt hat ein internationales Forscherteam eine kostengünstige und skalierbare Lösung für dieses Problem in Form einer Schutzschicht gefunden, die sich im Inneren der Salzschmelze bildet.
In mancher Hinsicht ist Kohlefaser bereits sehr hitzebeständig und kann bei Temperaturen bis zu 800 °C an der Luft stabil bleiben. Dadurch eignet sie sich sehr gut für alle Arten von Anwendungen, von Fahrradrahmen über Autos, medizinische Geräte bis hin zu Gitarren.
Bei extremen Temperaturen, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, können jedoch Probleme auftreten. Unter solchen Bedingungen reagiert es mit Sauerstoff und verbrennt, wodurch seine Struktur und damit seine wünschenswerten Eigenschaften schnell zerstört werden.
Wissenschaftler haben in der Vergangenheit daran gearbeitet, flammbeständigere Formen von Kohlefasern zu entwickeln, aber dies erforderte den Einsatz teurer Geräte, komplexer mehrstufiger Prozesse und unvorhersehbarer chemischer Reaktionen. Die Autoren dieser neuen Studie haben eine einfache und kostengünstige Lösung gefunden, die mit geschmolzenem Salz beginnt.
Dieser Prozess findet bei 982 °C statt, und nachdem die Salzkristalle verflüssigt sind, werden der Mischung Titan- und Chrompulver zugesetzt, bevor Carbonfasern als letzten Schliff hinzugefügt werden. Dabei kommt es zu einer chemischen Reaktion, die aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens und der unterschiedlichen Reaktionen der Materialien in der Salzschmelze zu einer Schutzschicht mit drei separaten Schichten führt.
„Wir haben ein Rezept gefunden, das in einem Zustand drei Schichten bilden kann“, sagen die Forscher.
Die Leistung wurde in Experimenten bewertet, bei denen beschichtete Kohlefasern extremen Bedingungen ausgesetzt wurden, darunter Temperaturen von etwa 1200°C und einem Sauerstoff-Acetylen-Brenner, während die Kohlefasern ihre Struktur erfolgreich behielten.
Es hat sich gezeigt, dass eine Beschichtung aus Chromkarbid und Titankarbid einen besseren Schutz bietet als eine einzelne Beschichtung.
„Wir versuchen, Oberflächenschichten hinzuzufügen, die die Kohlefasern von Sauerstoff trennen können, damit sie auch bei hohen Temperaturen nicht verbrennen“, sagen die Wissenschaftler. „Carbonfasern können vielfältig eingesetzt werden – in Stoffen und in Gebäudeteilen, Flugzeugen, elektronischen Geräten – aber wenn sie brennbar sind, entstehen neue Risiken und schränken diese Anwendungen stark ein.“
Wissenschaftler beschreiben ihr neues Verfahren als schnell und sauber und damit gut für den industriellen Einsatz geeignet. Um dieses Ziel zu verfolgen, wollen sie herausfinden, wie flammhemmend beschichtete Carbonfasern im Vergleich zu herkömmlichen Fasern abschneiden und wie lange sie unter extremen Bedingungen ihre Struktur und Eigenschaften behalten.
Die Studie wurde in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
2021-07-27 05:23:28
Autor: Vitalii Babkin