Sie sind weniger als ein Zehntel so dick wie ein menschliches Haar, aber Wissenschaftler können ihre Mängel mit nur einem Blick erkennen

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhang Hao (Assistenzforscher, Shanghai Advanced Research Institute, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Aus der Geschichte Edisons wissen wir alle, dass er nach Tausenden von Experimenten schließlich einen haltbaren Glühfaden entdeckte und damit der modernen Industriezivilisation den ersten „Lichtstrahl“ bescherte. Wenig bekannt ist jedoch, dass die in Mianzhus Experiment verbrannten Kohlenstofffilamente unbeabsichtigt das Kapitel des modernen neuen Materials aufschlugen – der Kohlenstofffaser.

Edison und die Glühbirne

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Was ist Kohlefaser?

Kohlenstofffasern sind anorganische Fasern mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90 %, die durch Hochtemperaturumwandlung organischer Fasern gewonnen werden. Bereits 1879 karbonisierte Edison Pflanzenfasern bei hohen Temperaturen, um eine Faser mit guter Leitfähigkeit zu erhalten, die den Anforderungen von Glühbirnen gerecht wurde. Aufgrund seiner kurzen Lebensdauer und begrenzten Festigkeit wurde es jedoch später durch Metallfilamente ersetzt.

Im Jahr 1959 entwickelten japanische und amerikanische Wissenschaftler eine Technologie zur Herstellung von Kohlefasern, die deren Leistung erheblich verbesserte. Im Jahr 1982 wurde Kohlefaser erstmals in der Luftfahrt von Unternehmen wie Boeing und Airbus eingesetzt.

Heute, mehr als hundert Jahre später, können dank der Weiterentwicklung der Kohlefaser-Spinntechnologie hochfeste Kohlefasern hergestellt werden, die so dünn wie ein Haar (5 bis 10 Mikrometer), so leicht wie eine Feder (mit einer Dichte von etwa einem Fünftel der von Stahl) und so stark wie Stahl (mit einer Bruchfestigkeit, die etwa viermal so hoch ist wie die von Stahl) sind. .

Kohlefaser

(Fotoquelle: China Science Daily)

Kohlefaser wird in vielen Bereichen eingesetzt

Heute ist Kohlefaser ein unverzichtbarer Werkstoff im modernen Industriesystem. Von leichten Sportgeräten wie Angelruten bis hin zu Windturbinenblättern; Von F1-Autos auf der Rennstrecke bis hin zu Flugzeuggiganten wie der Boeing 787 spielt Kohlefaser mit ihrem geringen Gewicht und ihrer hohen Festigkeit eine wichtige Rolle.

Bei der Boeing 787 beispielsweise bestehen bis zu 50 % der Rumpfmaterialien aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Der Grund für die große Bedeutung dieses Materials liegt in den vielen hervorragenden Eigenschaften der Kohlefaser.

Erstens wird durch die geringe Dichte das Gewicht des Flugzeugs erheblich reduziert, wodurch die Passagier- und Transportkapazität erhöht wird. Zweitens kann Kohlefaser den Kraftstoffverbrauch erheblich senken und so eine größere Reichweite und höhere Effizienz ermöglichen. Darüber hinaus bieten die extrem hohe Festigkeit und die guten mechanischen Eigenschaften der Kohlefaser starke Garantien für die Sicherheit und Haltbarkeit des Flugzeugrumpfes. Diese Eigenschaften machen Kohlefaser zu einer der Kerntechnologien, die den Fortschritt der Luftfahrtindustrie vorantreiben.

Boeing 787

(Fotoquelle: The Paper)

Die Herstellung von Hochleistungs-Kohlefasern steht vor Herausforderungen

Obwohl mein Land zu einem bedeutenden Produzenten von Kohlefasern geworden ist, befindet es sich im Bereich hochwertiger Kohlefasern noch immer in der Aufholphase. Hochwertige Kohlefasern, die durch Kohlefaserprodukte über der Güteklasse T1000 repräsentiert werden, wurden noch nicht durch einheimische Produkte ersetzt. Westliche, international führende Unternehmen wie das japanische Unternehmen Toray Industries dominieren die Produktion hochwertiger Kohlefasern und haben ein Embargo gegen mein Land verhängt. Aus diesem Grund besteht in meinem Land immer noch ein Versorgungsengpass bei hochwertigen Kohlefaserprodukten. Daher ist es besonders dringend, die unabhängige Forschung und Entwicklung zu beschleunigen, den Engpass der Kohlefasertechnologie zu überwinden und die Lokalisierung der Technologie zu realisieren.

Die Herstellung von Hochleistungs-Kohlefasern ist jedoch nicht einfach. Eine der Kernfragen besteht darin, wie Defekte in Kohlenstofffasern charakterisiert und kontrolliert werden können.

Defektstrukturentwicklung während der Kohlenstofffaserproduktion

(Fotoquelle: Forschungsteam der Universität Shenzhen Xu Jian und Zhu Caizhen)

Diese Defekte sind wie Geister, die sich im Schatten verstecken und stehen in direktem Zusammenhang mit der endgültigen Leistung der Kohlefaser.

Erstens sind die meisten Defekte im Inneren der Fasern enthalten und können durch Füllmethoden (wie Quecksilberporosimetrie, Stickstoffadsorption usw.) nicht erkannt werden. Andererseits haben ihre dreidimensionale Struktur, Länge, Breite und der innere Ablenkwinkel einen wichtigen Einfluss auf die Leistung des Materials. Bei der herkömmlichen Methode der Scheibenbeobachtung mit einem Elektronenmikroskop wird tatsächlich die Projektion der dreidimensionalen Struktur beobachtet. Genau wie bei der dreidimensionalen Zeichnung, wenn wir zeichnen, können die Projektionsfiguren verschiedener dreidimensionaler Strukturen gleich sein.

Drei Ansichten beim Zeichnen

(Fotoquelle: vom Autor bereitgestellt)

Beispielsweise wird bei einer ellipsoiden Defektstruktur beobachtet, dass ihr Querschnitt ein Kreis ist. Würde man die relevanten Parameter des Kreises zur Messung der tatsächlichen Defektstruktur verwenden, würde dies zwangsläufig zu großen Fehlern führen. Daher benötigen wir eine Methode, um die dreidimensionale Struktur von Defekten direkt zu beobachten.

Querschnitt einer ellipsoiden Defektstruktur

(Fotoquelle: vom Autor bereitgestellt)

Wenn diese Mängel nicht rechtzeitig erkannt und behoben werden können, kann dies die Sicherheitsleistung von Geräten oder Anlagen beeinträchtigen oder sogar zu Unfällen führen.

Einer der Gründe für den jüngsten Unfall des U-Boots Titan im Ausland war beispielsweise, dass Mängel an der Hülle des U-Boots nicht rechtzeitig entdeckt wurden. Diese Defekte sind mit herkömmlichen Erkennungsmethoden schwer zu erkennen, beispielsweise Feinde, die sich im Schatten verstecken.

Wie lässt sich dieses Problem also lösen?

Ein cleverer Trick: Schatten mit Licht „aufhellen“!

Wissenschaftler haben sich eine clevere Methode ausgedacht: Sie nutzen Synchrotronstrahlung (Röntgenstrahlen) als Lichtquelle, um die Schatten in Kohlenstofffasern zu beleuchten.

Die dreidimensionalen Informationen von Defekten werden durch Streumethoden erfasst und charakterisiert. Diese Methode unterscheidet sich von herkömmlichen Fototechniken, da sie den Partikeleffekt des Lichts nutzt.

Wenn ein Röntgenstrahl auf die Probe trifft, interagieren die Photonen mit den Elektronen der Kohlenstofffaser, genau wie zwei kollidierende kleine Bälle. Nach der Kollision ändern sich Parameter wie der Winkel und werden vom Detektor erfasst, wodurch ein bestimmtes Streumuster entsteht. Aufgrund der unterschiedlichen Elektronendichte zwischen dem defekten und dem regulären Teil werden die dreidimensionalen Informationen der Defektstruktur im vom Detektor erfassten Streumuster widergespiegelt.

Durch die Analyse dieser Streudaten können Wissenschaftler detaillierte Informationen über die innere Struktur der Probe erhalten, beispielsweise über Größe, Form und Verteilung von Defekten in den Kohlenstofffasern. Da Synchrotronstrahlung über die Eigenschaften einer hohen Helligkeit (der Fluss ist 1010-mal so hoch wie der der Sonne), einer hohen Kollimation und der Durchdringungseigenschaften von Röntgenstrahlen verfügt, kann sie die Probe schnell charakterisieren, ohne sie zu zerstören. Innerhalb einer Sekunde kann ein einzelnes Spektrum erzeugt werden, sodass die Entwicklung der Defektstruktur der Kohlenstofffasern online untersucht werden kann. Daher wird es auch häufig in der Forschung zu weicher Materie, Polymeren, Nanomaterialien und biologischen Makromolekülen eingesetzt und ist ein wichtiges Werkzeug zur Erforschung der mikroskopischen Welt der Materie.

Mithilfe dieser Methode gelang es chinesischen Wissenschaftlern, den Produktionsprozess der tausend Tonnen schweren T1000-Kohlefaser zu meistern und die wissenschaftliche und technologische Leistungsbewertung erfolgreich zu bestehen. Dies zeigt, dass die im Inland produzierte Kohlefaser meines Landes das weltweit höchste Niveau erreicht hat. Dieser Erfolg hat nicht nur die ausländische Technologieblockade durchbrochen, sondern auch der Entwicklung der Industrie meines Landes neue Vitalität verliehen.

Shenzhen Evening News berichtete

(Fotoquelle: Shenzhen Evening News)

Abschluss

Wir können davon ausgehen, dass Kohlefasern in den kommenden Jahren in noch mehr Bereichen eine wichtige Rolle spielen werden. Der Einsatz fortschrittlicher Technologien wie Synchrotronstrahlung zur Beleuchtung der Schatten in Kohlenstofffasern und zur Entdeckung der darin enthaltenen Defekte wird der Schlüssel zur Förderung der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Kohlenstofffasertechnologie sein.

Wie Su Shi sagte: „Von der Seite aus betrachtet, sehen Sie eine Bergkette; von vorne betrachtet, sehen Sie einen Gipfel.“ Solange wir gut darin sind, aus verschiedenen Blickwinkeln zu beobachten und zu denken, werden wir in der Lage sein, die im Schatten verborgene Wahrheit zu entdecken und dieses magische Material, die Kohlefaser, der menschlichen Gesellschaft besser nützen zu lassen.

Quellen:

[1]Zhu C, Liu X, Yu X, et al. Eine Kleinwinkel-Röntgenstreuungsstudie und molekulardynamische Simulation der Mikrohohlraumentwicklung während der Zugverformung von Kohlenstofffasern[J]. Carbon, Elsevier Ltd, 2012, 50(1): 235–243.

[2]Lu J, Li W, Kang H, et al. Mikrostruktur und Eigenschaften von Kohlenstofffasern auf Polyacrylnitrilbasis[J]. Polymer Testing, Elsevier Ltd, 2020, 81(10): 106267.

[3]Thünemann AF, Ruland W. Mikrohohlräume in Polyacrylnitrilfasern: eine Kleinwinkel-Röntgenstreuungsstudie[J]. Makromoleküle, 2000, 33(5): 1848–1852.