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Foto: Sven Hoppe
Künstliches Perlmutt mit Polymer kombiniert: ETH-Forschende entwickelten ein neuartiges Laminat, das sich verfärbt, sobald sich das Material verformt. So entsteht ein leichtgewichtiger Verbundwerkstoff, der sich selbst inspiziert.

Forschung und Entwicklung

Farbwechsel warnt vor Schäden im Leichtbau-Material

Sicherer Leichtbau: Ein in der Schweiz entwickeltes Material inspiziert sich selbst und zeigt Schäden, wie zum Beispiel Brüche, durch einen Farbwechsel an. 

Im Leichtbau werden zunehmend auch sogenannte Komposite in tragenden Anwendungen verbaut – was zur Folge hat, dass gleichzeitig neue Techniken und Methoden entwickelt werden müssen, um Schäden oder gar ein mögliches Versagen dieser noch wenig erprobten Materialien frühzeitig zu erkennen. Forschende der ETH Zürich aus der Gruppe für Komplexe Materialien in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Fribourg haben nun einen Ansatz gewählt, über den in der Materialforschung schon viel nachgedacht wurde: Sie haben einen Leichtgewichts-Werkstoff geschaffen, der durch eine Farbänderung innere Verformungen und damit ein mögliches Materialversagen frühzeitig anzeigt. Das aus einzelnen Schichten zusammengesetzte Laminat ist transparent, bruchfest und trotzdem sehr leicht.

Neues Laminat für den Leichtbau entwickelt

Aufgebaut ist das Laminat aus sich abwechselnden Schichten aus einem Kunststoff (Polymer) und künstlichem Perlmutt. Letzteres ist eine Spezialität des Labors für Komplexe Materialien und ist dem biologischen Vorbild der Muschelschale nachempfunden. Es besteht aus unzähligen, parallel angeordneten Glasplättchen, die verdichtet, gesintert und durch ein Polymer-Harz verfestigt werden. Dadurch wird es äusserst hart und bruchfest. Die zweite Schicht besteht aus einem Polymer, dem die Forschenden ein eigens für diese Anwendung an der Universität Fribourg synthetisiertes Indikatormolekül beimengten. Dieses Molekül wird durch Dehnungskräfte, die im Polymer auftreten, aktiviert. Dadurch verändert sich dessen Fluoreszenz. Je stärker die Materialdehnung und je mehr dieser Moleküle aktiviert werden, desto intensiver wird die Fluoreszenz.

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Fluoreszenz als Zeichen für Schäden im Material

„Wir haben fluoreszierende Moleküle verwendet, weil man die Zunahme der Fluoreszenz sehr gut messen kann und nicht auf die subjektive Wahrnehmung angewiesen ist“, sagt Tommaso Magrini, Erstautor einer entsprechenden Studie, die soeben in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials and Interfaces erschienen ist. Man hätte das System auch mit einem von aussen direkt wahrnehmbaren Farbumschlag aufbauen können. Aber: „Die Wahrnehmung von Farben ist subjektiv und Rückschlüsse auf Veränderung im Material schwierig“, betont der Forscher. Mithilfe der Fluoreszenz können die Forschenden nun überbeanspruchte Bereiche innerhalb des Verbundwerkstoff bereits dann identifizieren, bevor sich Brüche ausbilden. Dadurch lassen sich anfällige Stellen in einer Struktur frühzeitig erkennen, ehe ein katastrophales Versagen auftritt. Eine mögliche Anwendung des neuartigen Laminats sind denn auch Bauteile in tragenden Strukturen, etwa von Bauten, Flugzeugen oder Fahrzeugen, und deren Versagen unbedingt frühzeitig erkannt werden muss. Eine offene Frage ist allerdings noch, ob und wie das Material im industriellen Maßstab produziert werden kann. Bis jetzt gibt es dieses erst im Labormaßstab als Machbarkeitsnachweis.

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Foto: p!xel 66 - Fotolia Sicherheit im Leichtbau: Mithilfe der Fluoreszenz können die Forschenden nun überbeanspruchte Bereiche innerhalb des Verbundwerkstoff bereits dann identifizieren, bevor sich Schäden bzw. Brüche ausbilden.
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