Materialversagen wird vorhersehbar
Materialschäden in Kompositmaterialien sind von außen kaum festzustellen. Ein Forschungsteam der Universität zu Kiel (CAU), der Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der TU München (TUM) hat ein neuartiges Verfahren zur Erkennung von Materialschäden entwickelt und im Fachjournal Advanced Materials veröffentlicht.
Das Verfahren basiert auf einem Anteil an mikrostrukturierten Zinkoxidtetrapoden in dem Kompositmaterial und Bestrahlung des Teils mit UV-Licht. Das neue Konzept könnte zahlreiche ingenieurtechnische Probleme lösen, da Kunststoffkomposite vom Fahrzeugbau bis hin zur Medizintechnik verbreitet sind und gezielt für Hochbelastungsanwendungen entwickelt werden.
Das Forschungsteam hatte Zinkoxidtetrapoden mit einem Silikonpolymer (Polydimethylsiloxane) vermischt und die Eigenschaften des so entstandenen Kompositmaterials untersucht. Sie fanden heraus, dass das Silikonmaterial durch die Zinkoxidkristalle nicht nur fester wird, sondern auch ein ungewöhnliches Lichtreflexionsverhalten aufweist. Bei Bestrahlung mit UV-Licht verändert sich unter mechanischer Belastung die Intensität des reflektierten Lichtes und damit seine Farbe. Fehlstellen im Inneren von Teilen aus dem Kompositmaterial bewirken Änderungen des reflektierten Lichtes und zeigen dadurch ein Bild der Fehlstelle an.
Kompositpolymere werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt – von Zahnimplantaten bis hin zu Raumfahrzeugen. Sie bestehen aus zwei oder mehr Ausgangsmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften – zum Beispiel Silikon und Zinkoxid – die im Materialverbund bessere Eigenschaften haben. Der Leiter der Studie, betont: „Materialien wie die untersuchten Zinkoxidkristalle sind offenbar eine exzellente Komponente für zahlreiche spezielle Kompositmaterialien – auch in Konstruktionen, deren Versagen zu katastrophalen Unfällen führen kann“.
Originalpublikation: A novel concept for self-reporting materials: Stress sensitive photoluminescence in ZnO tetrapod filled elastomers, Advanced Materials, doi: adma.201203849