Entwicklung von kostengünstigen und starken Verbundkohlenstofffasern unter Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren sind ein neuartiges Material, das 100 Mal stärker als Stahl ist, aber nur ein Viertel seines Gewichts und eine elektrische Leitfähigkeit hat, die so hoch ist wie die von Kupfer. Wenn Fasern unter Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren hergestellt werden könnten, könnten diese Fasern theoretisch die Leistung bestehender Kohlenstofffasern übertreffen, was Fasern auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren zu einem neuartigen Material von Interesse in der Luft- und Raumfahrt-, Militär- und Mobilitätsindustrie machen würde. Die Beibehaltung der überlegenen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren in Fasern ist jedoch sehr herausfordernd, und die Kommerzialisierung solcher Fasern ist aufgrund der extrem hohen Kosten von Kohlenstoffnanoröhren schwierig.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Bon-Cheol Ku vom Jeonbuk Institute of Advanced Composite Materials des Korea Institute of Science and Technology (KIST) arbeitete mit einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Han Gi Chae vom Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) zusammen ) zur Entwicklung einer kostengünstigen Fertigungstechnologie für Kohlenstoff-Nanoröhren-basierte Verbundkohlefasern mit extrem hoher Zugfestigkeit und hohem Modul. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Verbundwerkstoffe Teil B: Engineering.

Im Allgemeinen werden Kohlefasern als hochfeste Fasern auf der Basis des Polymers Polyacrylnitril (PAN) oder Hochmodulfasern unter Verwendung von Pech hergestellt, das aus pyrolysiertem Heizöl gewonnen wird. Das Forschungsteam entwickelte eine Technologie, die den Modul stark verbesserte und gleichzeitig eine hohe Festigkeit beibehielt, indem Kohlenstoffnanoröhren und Polyimid (PI) verwendet wurden.

Das Team stellte erfolgreich Fasern mit hohem Modul (528 GPa) und hoher Festigkeit (6,2 GPa) her, indem es zunächst eine Kohlenstoffnanoröhre und eine Polyimid-Verbundfaser unter Verwendung eines kontinuierlichen Nassspinnverfahrens herstellte und dann eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung anwendete. Der angegebene Modul ist 1,6-mal höher als der von kommerziell erhältlichen Fasern (~320 GPa).

Zusätzlich verifizierte die Mikrostrukturanalyse, dass die physikalischen Eigenschaften des hergestellten Materials verbessert wurden, indem der Hohlraum in den Fasern reduziert wurde, und dass die Kohlenstoff-Nanoröhren/Polyimid-Verbindung die Ausrichtung der Kohlenstoff-Nanoröhren verbesserte. Das Forschungsteam war in der Lage, diese Fasern mit extrem hoher Festigkeit und Modulus herzustellen und gleichzeitig bis zu 50 % der Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch kostengünstiges Polyimid zu ersetzen, um die Gesamtkosten zu senken.

Dr. Ku von KIST sagte: „Diese Forschung ist bedeutsam, weil die Herstellungskosten von Kohlenstoff-Nanoröhren-basierten Kohlenstofffasern durch die Verwendung kostengünstiger Polymere stark gesenkt werden können.“ Er fügte hinzu: „Diese neuartigen Kohlenstofffasern, die früher aufgrund der hohen Kosten schwer zu vermarkten waren, werden voraussichtlich in der Luft- und Raumfahrt, im Militär und in der zukünftigen Mobilitätsindustrie eingesetzt.“