Farbwechsel zeigt Schäden im Material an

In vielen Bereichen hat die Leichtbauweise Einzug gehalten, insbesondere im Fahrzeug-, Schiff- und Flugzeugbau. Nebst klassischen Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium oder Titan werden zunehmend auch Verbundmaterialien, sogenannte Komposite, in tragenden Anwendungen verbaut. Das hat zur Folge, dass gleichzeitig neue Techniken und Methoden entwickelt werden m¨¹ssen, um Sch?den oder gar ein m?gliches Versagen solcher noch wenig erprobter Materialien fr¨¹hzeitig zu erkennen.

Forschende der ETH Z¨¹rich aus der Gruppe f¨¹r Komplexe Materialien in Zusammenarbeit mit Forschern der Universit?t Fribourg haben nun einen Ansatz gew?hlt, ¨¹ber den in der Materialforschung schon viel nachgedacht wurde: Sie haben einen Leichtgewichts-Werkstoff geschaffen, der durch eine Farb?nderung innere Verformungen und damit ein m?gliches Materialversagen fr¨¹hzeitig anzeigt.  Das aus einzelnen Schichten zusammengesetzte Laminat ist transparent, bruchfest und trotzdem sehr leicht.

K¨¹nstliches Perlmutt mit Polymer kombiniert

Aufgebaut ist das Laminat aus sich abwechselnden Schichten aus einem Kunststoff (Polymer) und k¨¹nstlichem Perlmutt. Letzteres ist eine Spezialit?t des Labors f¨¹r Komplexe Materialien und ist dem biologischen Vorbild der Muschelschale nachempfunden. Es besteht aus unz?hligen, parallel angeordneten Glaspl?ttchen, die verdichtet, gesintert und durch ein Polymer-Harz verfestigt werden. Dadurch wird es ?usserst hart und bruchfest.

Die zweite Schicht besteht aus einem Polymer, dem die Forschenden ein eigens f¨¹r diese Anwendung an der Universit?t Fribourg synthetisiertes Indikatormolek¨¹l beimengten. Dieses Molek¨¹l wird durch Dehnungskr?fte, die im Polymer auftreten, aktiviert. Dadurch ver?ndert sich dessen Fluoreszenz. Je st?rker die Materialdehnung und je mehr dieser Molek¨¹le aktiviert werden, desto intensiver wird die Fluoreszenz.

Fluoreszenz zeigt ¨¹berbeanspruchte Teile an

?Wir haben fluoreszierende Molek¨¹le 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 vor kurzem in der Fachzeitschrift ?ACS Applied Materials and Interfaces? erschienen ist. Man h?tte das System auch mit einem von aussen direkt wahrnehmbaren Farbumschlag aufbauen k?nnen. Aber: ?Die Wahrnehmung von Farben ist subjektiv und R¨¹ckschl¨¹sse auf Ver?nderung im Material schwierig?, betont der Forscher.

Mithilfe der Fluoreszenz k?nnen die Forschenden nun ¨¹berbeanspruchte Bereiche innerhalb des Verbundwerkstoff bereits dann identifizieren, bevor sich Br¨¹che ausbilden. Dadurch lassen sich anf?llige Stellen in einer Struktur fr¨¹hzeitig erkennen, ehe ein katastrophales Versagen auftritt. Eine m?gliche Anwendung des neuartigen Laminats sind denn auch Bauteile in tragenden Strukturen, etwa von Bauten, Flugzeugen oder Fahrzeugen, und deren Versagen unbedingt fr¨¹hzeitig 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.