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Hochfeste, ultraleichte und elastische Materialien
aus Karbon sind aus dem Hochleistungssport und aus der modernen Luft-
und Raumfahrttechnik nicht mehr wegzudenken. Ob Tennisschläger,
Rennsportreifen, Hitzeschutzschilder oder sogar Gitarren -
Karbonfasern erobern eine wahrlich tragende Rolle in der
Werkstoff-Technologie. Der Name bezieht sich dabei auf mikrometerdicke
High-Tech-Fasern aus Kohlenstoff, die zur mechanischen Verstärkung
anderer Materialien wie Polymere, Metalle oder Keramiken eingesetzt
werden. Unter Zug sind solche Fasern zumeist fester als alle anderen
bekannten Werkstoffe. Allerdings können Druckbelastungen parallel zur
Faserachse zum Ausknicken von Kohlenstoffschichten auf der
Nanometerskala führen. Dies ist vergleichbar mit dem Knicken eines
langen dünnen Stabes unter Druck.
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Abb.: Mit einem nur 100
Nanometer feinen Röntgenstrahl als "Nanolupe" lassen sich Defekte
und Veränderungen in Kohlenstofffasern im Detail untersuchen.
Bild:
© MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung |
In einem neuartigen physikalischen Experiment an
der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle in Grenoble haben die
Forscher aus Potsdam und Wien mehrere, nur wenige tausendstel
Millimeter dicke Kohlenstofffasern mit beiden Enden durch dünne
Hohlnadeln gefädelt, sodass sich am Ende jeweils eine Schlaufe
bildete. Dabei sind die Fasern an der Außenseite dieser Schlaufe
gedehnt und an der Innenseite gestaucht mit einer unverformten,
neutralen Zone dazwischen, ähnlich einem Biegebalken. Durch Ziehen an
den Faserenden kann der Radius der Schlaufe und damit die Stärke der
Zug- und Druckspannungen eingestellt werden. "Das Einzigartige an
diesem Experiment", sagt Oskar Paris vom Max-Planck-Institut für
Kolloid- und Grenzflächenforschung, "ist der Umstand, dass wir uns
viele Längenskalen gleichzeitig ansehen und damit dem Geheimnis des ‚Nanoknickens’
auf die Spur kommen konnten. Mit einem Röntgenstrahl von nur 100
Nanometer Breite, das entspricht einem zehntausendstel Millimeter,
können wir die unterschiedlichen Verformungszonen entlang des
Faserquerschnittes abtasten. Mit unserer ‚Nanolupe’ - der Beugung
ebendieses Röntgenstrahls - konnten wir gleichzeitig die lokale
Dehnung der nur wenige Nanometer dicken Kohlenstoffschichten sowie
deren Orientierung in Bezug auf die Faserachse direkt ablesen."
Hightech-Karbonfasern bestehen aus graphitähnlichen
Kohlenstoffschichten mit starken kovalenten Bindungen der Atome
innerhalb der Schichten und sehr schwachen, so genannten Van der
Waals-Bindungen zwischen den Schichten. Fast alle physikalischen
Eigenschaften dieser Materialien sind daher richtungsabhängig,
insbesondere auch die mechanischen Eigenschaften. So sind die
Steifigkeit bis zu fünffach und die auf gleiches Gewicht bezogene
Festigkeit von Kohlenstofffasern unter Zug mehr als zehnfach höher als
die von Stahl. Ihre Druckeigenschaften können damit allerdings nicht
mithalten. Diese werden - zusätzlich zur Scherung einzelner
Graphitschichten - insbesondere vom Auftreten einer mechanischen
Instabilität unter Druck, also dem Knicken von Kohlenstoffschichten
auf der Nanometerskala, bestimmt.
Manche Kohlenstofffasern weisen dennoch erstaunlich
gute Schereigenschaften auf. Ein "Nanoknicken" wird dann kaum
beobachtet, was auf eine hohe Anzahl an starken Querverbindungen
zwischen den Kohlenstoffschichten hindeutet. "Könnte man die
üblicherweise sehr schwachen Bindungen zwischen den
Kohlenstoffschichten gezielt durch solche kovalenten Querverbindungen
verstärken, so wären neben manchen Karbonfasern wohl auch die viel
gerühmten neuartigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen bald reif für ihren
Einsatz als Seile mit der höchsten Festigkeit der Welt", stellt Herwig
Peterlik von der Universität Wien fest.
Dies ist möglich, allerdings erst seit relativ
kurzer Zeit und auch nur unter sehr hohem energetischem und
finanziellem Aufwand durch so genannte Elektronenbestrahlung. Der hohe
Preis ist auch der Grund, warum die relativ billig herzustellenden
Kohlenstofffasern noch lange nicht von den modernen Nanoröhrchen
abgelöst werden dürften. Warum aber solche wertvollen Querverbindungen
bei der Herstellung von Hightech-Materialien in manchen
Kohlenstofffasern entstehen und in manchen nicht, ist noch nicht
vollständig geklärt. |
