Beständig gegen hohe Temperaturen von 500 °C! Neuer ultrastarker Kohlenstoffkunststoff gleicht die „Schwäche“ der Luft- und Raumfahrtfertigung aus?

Autor: Huang Xianghong Duan Yuechu

Angesichts der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie führen Innovationen im Werkstoffbereich in zahlreichen Branchen immer wieder zu neuen Durchbrüchen. Kürzlich ist es Wissenschaftlern der Kazan Federal University und der Kazan State Research University of Technology in Russland gelungen, einen ultrastarken Kohlenstoffkunststoff auf Phosphatklebstoffbasis zu entwickeln, der große Aufmerksamkeit erregt hat.

Herkömmliche Verbundwerkstoffe werden in vielen Bereichen eingesetzt, vom Flugzeugbau bis hin zu alltäglichen Hockeyschlägern. Allerdings weisen diese Verbundwerkstoffe aus organischen Polymerbindemitteln einige „Schwächen“ auf. Einerseits sind organische Klebstoffe entflammbar, was in manchen Bereichen mit extrem hohen Sicherheitsanforderungen zweifellos eine große versteckte Gefahr darstellt. Andererseits beträgt seine maximale Betriebstemperatur lediglich 300–450 °C, was es schwierig macht, die Nachfrage nach nicht brennbaren Materialien zu decken, die hohen Temperaturen über 500 °C in Hightech-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt standhalten können.

Flugzeug (urheberrechtlich geschütztes Bild aus der Galerie, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wählte das Forschungsteam einen anderen Ansatz und richtete seine Aufmerksamkeit auf anorganische Klebstoffe. Sie entwickelten erfolgreich Kohlenstoffkunststoffe auf Basis von Aluminiumphosphat-, Aluminiumborphosphat- und Aluminiumchromphosphat-Bindemitteln und verbesserten die Leistung dieser Bindemittel mit Kohlenstofffasern. Nach physikalischen und mechanischen Tests wiesen diese kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe eine extrem hohe Zug- und Biegefestigkeit sowie Elastizität auf. Die Ergebnisse der dynamisch-mechanischen Analyse zeigen außerdem, dass diese Materialien eine außergewöhnliche Hitzebeständigkeit aufweisen. Darunter schnitten kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe auf Basis von Aluminiumchromphosphat besonders gut ab und zeichneten sich durch höchste Festigkeit und Steifigkeit aus. Produkte daraus halten hohen Temperaturen von über 500 °C stand.

Das Aufkommen dieser neuen Art von Kohlenstoffkunststoff hat in vielen Bereichen neue Hoffnung gebracht. In der Luft- und Raumfahrt sind Umgebungen mit hohen Temperaturen die Norm und an die Materialien werden extrem hohe Anforderungen an die Hitzebeständigkeit gestellt. Das Aufkommen dieses ultrastarken Kohlenstoffkunststoffs dürfte eine zuverlässigere Materialoption für den Flugzeugbau darstellen und so die Sicherheit und Leistung von Flugzeugen verbessern. Auch in anderen Arbeitsumgebungen mit hohen Temperaturen, wie beispielsweise in bestimmten Spezialverbindungen der industriellen Produktion, kann der Einsatz dieses neuen Materials zur Verbesserung der Produktionseffizienz und -sicherheit in Betracht gezogen werden.

Darüber hinaus bietet dieses neue Material auch den Vorteil, umweltfreundlich zu sein. Im Gegensatz zu Kunststoffen mit organischen Bindemitteln belasten die neu entwickelten Verbundwerkstoffe bei ihrer Anwendung die Umwelt nicht. Wenn diese Materialien zerfallen, werden sie zu Bestandteilen von Ton und Phosphatdünger, wodurch ein Recycling der Ressourcen erreicht wird.

Um die Hitzebeständigkeit dieses neuartigen Carbon-Kunststoffs weiter zu verbessern, können folgende Aspekte berücksichtigt werden:

1. Materialoptimierung

1. Klebstoffverbesserung:

- Kontinuierliche Entwicklung neuer Phosphatklebstoffformeln und Suche nach hitzebeständigeren Kombinationen durch Anpassung der Inhaltsstoffverhältnisse von Klebstoffen wie Aluminiumphosphat, Aluminium-Borphosphat und Aluminium-Chromphosphat. Sie können beispielsweise versuchen, einige Spurenelemente mit besonderen hitzebeständigen Eigenschaften hinzuzufügen, um die Stabilität des Klebstoffs bei hohen Temperaturen zu verbessern.

- Erkunden Sie andere Arten anorganischer Bindemittel wie Silikate, Borate usw., um sie mit vorhandenen Phosphatbindemitteln zu vergleichen und zu kombinieren und so hitzebeständigere Bindemittelsysteme zu finden.

2. Carbonfaser-Optimierung:

- Wählen Sie leistungsstärkere Kohlenstofffasern, beispielsweise spezielle Kohlenstofffasern mit höherer Festigkeit, höherem Modul und besserer Hitzebeständigkeit. Wir können mit Carbonfaserherstellern kooperieren, um gemeinsam Hochleistungs-Carbonfasern speziell für diesen neuen Carbon-Kunststoff zu entwickeln.

- Durch die Oberflächenbehandlung von Kohlefasern kann ihre Bindungsstärke mit Klebstoffen verbessert werden, wodurch die verstärkende Wirkung der Kohlefasern besser zur Geltung kommt. Beispielsweise können chemische Gasphasenabscheidung, Plasmabehandlung und andere Methoden verwendet werden, um eine Beschichtung auf der Oberfläche von Kohlenstofffasern zu bilden, die mit dem Klebstoff besser kompatibel ist.

3. Hitzebeständigen Füllstoff hinzufügen:

- Einführung anorganischer Füllstoffe mit guter Hitzebeständigkeit, wie etwa Nano-Aluminiumoxid, Nano-Siliziumoxid, Siliziumkarbid usw. Diese Füllstoffe können im Material ein hitzebeständiges Netzwerk bilden und die allgemeine Hitzebeständigkeit des Materials verbessern. Gleichzeitig kann durch die Zugabe von Füllstoffen auch die Festigkeit und Härte des Materials verbessert werden.

- Untersuchen Sie die Auswirkungen unterschiedlicher Füllstoffpartikelgrößen, -formen und -gehalte auf die Hitzebeständigkeit von Materialien und finden Sie die beste Füllstoffkombination und Zugabemenge.

2. Prozessverbesserung

1. Optimierung des Vorbereitungsprozesses:

- Verbesserung des Herstellungsprozesses von Kohlenstoffkunststoffen, beispielsweise durch die Anwendung modernerer Formverfahren wie Heißpressen, Spritzgießen usw., um die Dichte und Gleichmäßigkeit des Materials zu verbessern und dadurch die Hitzebeständigkeit zu erhöhen.

- Kontrollieren Sie Parameter wie Temperatur, Druck und Zeit während des Vorbereitungsprozesses, um die Prozessbedingungen zu optimieren, sodass sich Klebstoff und Kohlefaser besser zu einer stabileren Struktur verbinden können.

2. Wärmebehandlungsprozess:

- Durch eine entsprechende Wärmebehandlung des hergestellten Kohlenstoffkunststoffs können die Kristallinität und Ordnung des Materials verbessert und dadurch seine Hitzebeständigkeit erhöht werden. Beispielsweise kann ein Glühen bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt werden, um innere Spannungen im Material zu beseitigen und die Stabilität des Materials zu verbessern.

- Untersuchen Sie die Auswirkungen unterschiedlicher Wärmebehandlungstemperaturen und -zeiten auf die Hitzebeständigkeit von Materialien und finden Sie die optimalen Parameter für den Wärmebehandlungsprozess.

3. Strukturelle Gestaltung

1. Mehrschichtiges Strukturdesign:

- Entwerfen Sie mehrschichtige Kohlenstoffkunststoffe, um Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zu kombinieren und Strukturen mit abgestufter Wärmebeständigkeit zu bilden. Beispielsweise kann auf die Oberfläche des Materials eine Beschichtung mit besserer Hitzebeständigkeit aufgebracht werden, die mittlere Schicht besteht aus einem kohlenstofffaserverstärkten Phosphatkleber und die unterste Schicht ist ein Basismaterial mit einer gewissen Festigkeit und Zähigkeit.

- Studieren Sie die Konstruktionsprinzipien und Herstellungsmethoden von Mehrschichtstrukturen, um die Bindung und Synergie zwischen den Schichten sicherzustellen und so die allgemeine Hitzebeständigkeit des Materials zu verbessern.

2. Dreidimensionales Strukturdesign:

- Entwerfen und bereiten Sie Kohlenstoffkunststoffe mit komplexen dreidimensionalen Strukturen mithilfe fortschrittlicher Fertigungstechnologien wie 3D-Druck vor. Diese Struktur kann die mechanischen Eigenschaften und die Hitzebeständigkeit des Materials verbessern und gleichzeitig eine individuelle Anpassung und ein Leichtbaudesign ermöglichen.

- Untersuchen Sie den Einfluss der dreidimensionalen Struktur auf die Materialeigenschaften und optimieren Sie die strukturellen Designparameter, um die beste Hitzebeständigkeit und die besten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.

4. Leistungstests und -bewertung

1. Legen Sie eine Methode für die Tonprüfung fest:

- Entwickeln Sie wissenschaftliche und angemessene Teststandards und -methoden für die Hitzebeständigkeit, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Testergebnisse sicherzustellen. Wir können auf internationale Normen und Industriespezifikationen zurückgreifen und basierend auf den Eigenschaften neuer Kohlenstoffkunststoffe geeignete Testmethoden festlegen.

- Verwenden Sie verschiedene Testmethoden, wie z. B. thermogravimetrische Analyse, Differenzial-Scanning-Kalorimetrie, dynamische thermomechanische Analyse usw., um die Hitzebeständigkeit des Materials umfassend zu bewerten.

2. Kontinuierliche Optimierung und Verbesserung:

- Analysieren Sie anhand der Ergebnisse der Leistungstests die Faktoren, die die Hitzebeständigkeit des Materials beeinflussen, und passen Sie die Materialformel, den Prozess und das Strukturdesign rechtzeitig an. Durch kontinuierliche Optimierung und Verbesserung wird die Hitzebeständigkeit neuer Carbon-Kunststoffe sukzessive verbessert.

Kurz gesagt: Um die Hitzebeständigkeit dieses neuen Kohlenstoffkunststofftyps weiter zu verbessern, sind umfassende Überlegungen und Forschungen unter verschiedenen Aspekten wie Materialoptimierung, Prozessverbesserung, Strukturdesign und Leistungstests erforderlich. Wir sind davon überzeugt, dass wir durch kontinuierliche Innovation und harte Arbeit hitzebeständige Kohlenstoffkunststoffe mit besserer Leistung entwickeln und bessere Materialoptionen für Anwendungen in verschiedenen Bereichen bieten können.

Dieser von russischen Wissenschaftlern entwickelte ultrastarke Kohlenstoffkunststoff, der Temperaturen von 500 °C standhält, ist eine bedeutende Innovation auf dem Gebiet der Materialien. Es übertrifft nicht nur die Leistung herkömmlicher Verbundwerkstoffe, sondern ist auch umweltfreundlich und bietet neue Möglichkeiten für zukünftige wissenschaftliche und technologische Entwicklungen und industrielle Anwendungen. Ich bin überzeugt, dass dieses neue Material in naher Zukunft in noch mehr Bereichen eine wichtige Rolle spielen und zum Fortschritt und zur Entwicklung der Menschheit beitragen wird.