Healing-phase architecture governs cryogenic damage tolerance and mechanical recovery in EMAA-modified self-healing carbon fibre/epoxy composites

Wasserstoff ist ein sauberer Brennstoff, der ohne Kohlenstoffemissionen verbrennt, was ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für den Antrieb zukünftiger Fahrzeuge und Raumfahrzeuge macht. Um ihn jedoch effektiv nutzen zu können, müssen Ingenieure enorme Mengen davon in Tanks lagern, die sowohl unglaublich leicht als auch stark genug sind, um das Gas unter immensem Druck oder bei gefrierenden Temperaturen zu halten. Die fortschrittlichsten Lagertanks bestehen aus Schichten von Kohlenstofffasern, die in ein robustes Kunststoffharz eingewickelt sind. Obwohl diese Materialien leichter als Metall sind, haben sie eine verborgene Schwäche: Wenn die Temperatur auf die extreme Kälte absinkt, die zur Lagerung von flüssigem Wasserstoff erforderlich ist, ziehen sich die verschiedenen Materialien innerhalb des Tanks unterschiedlich stark zusammen. Diese Unstimmigkeit erzeugt winzige Risse im Kunststoff zwischen den Faserschichten. Im Laufe der Zeit können sich diese Risse zu Pfaden verbinden, die es dem Wasserstoff ermöglichen, auszutreten, was potenziell zum Versagen des Tanks führen kann. Wissenschaftler arbeiten an Wegen, um diese Tanks „selbstheilend“ zu machen, was bedeutet, dass sie diese winzigen Risse automatisch reparieren können, wenn sie erwärmt werden, ähnlich wie eine Schnittwunde auf der Haut heilt, wenn die natürlichen Prozesse des Körpers die Wunde schließen.

Forscher der Queen Mary University of London und Graphene Innovations Manchester setzten sich zum Ziel, ein spezifisches Rätsel darüber zu lösen, wie man diese selbstheilenden Tanks baut. Sie wussten, dass das Hinzufügen eines speziellen Kunststoffs namens Ethylen-Methacrylsäure (EMAA) helfen könnte, das Material beim Erhitzen zu reparieren, waren sich aber unsicher, wo dieser Heilungskunststoff am besten platziert werden sollte, um in einer kryogenen Umgebung bei extremer Kälte optimal zu funktionieren. Sie testeten zwei sehr unterschiedliche Methoden, diesen Kunststoff in die Kohlenstofffaserschichten einzubringen. In der ersten Methode fügten sie eine kontinuierliche Schicht des Heilungskunststoffs direkt in die Mitte des Stapels ein, wie eine Schicht Butter zwischen zwei Scheiben Brot. In der zweiten Methode sprühten sie winzige Partikel desselben Kunststoffs direkt auf die Oberflächen der Kohlenstofffasern, bevor die Schichten gestapelt wurden, wodurch eine verstreute Verteilung des Heilungsmaterials durch die gesamte Struktur geschaffen wurde. Durch das Testen dieser beiden Designs unter denselben Bedingungen wollten die Forscher herausfinden, welche Anordnung den Tank am stärksten und widerstandsfähigsten gegen Schäden nach wiederholten Zyklen von Einfrieren und Erwärmen machen würde.

Das Team erstellte Proben aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff mit beiden Methoden und unterzog sie strengen Tests. Zuerst zogen sie die Proben bei Raumtemperatur auseinander, um zu sehen, wie steif und stark sie waren. Wie erwartet, machte das Hinzufügen des Heilungskunststoffs das Material etwas weniger steif und stark als eine Standardprobe ohne Modifikation, da der Kunststoff weicher ist als das durch ihn ersetzte Epoxidharz. Interessanterweise änderte sich das Verhalten jedoch, als die Forscher die Proben auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff abkühlten, was etwa minus 196 Grad Celsius entspricht. Alle Proben wurden wesentlich steifer und stärker, eine häufige Reaktion dieser Materialien in der Kälte. Interessanterweise erreichte die Probe mit den gesprühten Partikeln ihre ursprüngliche Festigkeit wieder und entsprach der Leistung des unveränderten Materials, während die Probe mit der mittleren Schicht etwas schwächer blieb. Dies deutete darauf hin, dass das Verteilen der Heilungspartikel über die Faseroberflächen dem Material half, den anfänglichen Stress der Kälte besser zu bewältigen als eine einzelne dicke Schicht in der Mitte.

Der wahre Test kam jedoch, als die Forscher die wiederholten Schädigungen und Heilungsprozesse simulierten, die ein echter Wasserstofftank erleben würde. Sie belasteten die Proben, erwärmten sie, um den Heilungskunststoff schmelzen und in die Risse fließen zu lassen, kühlten sie erneut ab und wiederholten diesen Zyklus viermal. Bei Raumtemperatur verloren die unveränderten Proben bis zum Ende des Tests mehr als die Hälfte ihrer Steifigkeit, während die selbstheilenden Proben den Großteil ihrer Festigkeit behielten. Die Probe mit der mittleren Kunststoffschicht schnitt am besten ab und behielt fast 9-prozentig ihrer ursprünglichen Steifigkeit, während die gesprühte Probe etwa 70 Prozent behielt. Als das Team diesen brutalen Zyklus unter kryogenen Bedingungen wiederholte, wurde der Unterschied noch entscheidender. Die unveränderten Proben versagten vollständig, bevor sie den vierten Zyklus abschließen konnten, und brachen aufgrund der kumulierten Schäden auseinander. Im Gegensatz dazu überlebten beide selbstheilenden Designs alle vier Zyklen. Die Probe mit der mittleren Kunststoffschicht überlebte nicht nur, sondern ging stärker hervor als zuvor; sie zeigte eine Endfestigkeit, die tatsächlich höher war als ihre ursprüngliche Festigkeit vor Beginn der Schädigung. Sie dehnte sich auch viel weiter, bevor sie brach, was darauf hindeutete, dass sie nach dem Heilungsprozess flexibler und belastbarer geworden war.

Um zu verstehen, warum die mittlere Schicht in der Kälte so viel besser funktionierte, untersuchten die Forscher die Bruchstücke unter einem Mikroskop sehr genau. Die unveränderten Proben zeigten ein chaotisches Geflecht von Rissen, die sich durch alle Schichten gezogen hatten und ein Netzwerk von Schäden bildeten, das das Material nicht reparieren konnte. Die gesprühten Proben zeigten eine gewisse Verbesserung, wobei die geschmolzenen Kunststoffpartikel halfen, kleine Lücken zu überbrücken, aber der Schaden war immer noch über das gesamte Material verteilt. Die Probe mit der mittleren Schicht erzählte jedoch eine andere Geschichte. Die kontinuierliche Schicht des Heilungskunststoffs wirkte wie eine dedizierte Zone, die den Schaden absorbierte. Wenn das Material erwärmt wurde, floss diese Schicht und verband die getrennten Teile neu, wodurch die Risse effektiv geschlossen und die strukturelle Integrität des gesamten Paneels wiederhergestellt wurde. Die Forscher beobachteten, dass der Kunststoff in dieser mittleren Schicht während des Heilungsprozesses sogar leicht an den Rändern herausgedrückt wurde, was bewies, dass er geschmolzen war und sich bewegt hatte, um die Hohlräume zu füllen. Dieser kontinuierliche Fluss ermöglichte es dem Material, seine Tragfähigkeit weita viel besser wiederherzustellen, als es die verstreuten Partikel konnten.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass zwar beide Methoden der Zugabe von Heilungskunststoff die Haltbarkeit von Kohlenstofffaser-Tanks verbessern, aber die Position dieses Kunststoffs der entscheidende Faktor für die Leistung in extremer Kälte ist. Das Platzieren einer kontinuierlichen Schicht in der Mitte der Schichten bietet den effektivsten Schutz gegen die wiederholte Rissbildung durch Gefrieren und Auftauen. Dieser Ansatz hält das Material nicht nur davon ab, auseinanderzubrechen, sondern hilft ihm auch, seine Festigkeit und Flexibilität nach jedem Zyklus zurückzugewinnen. Obwohl die Forscher die Gasleckage in diesem spezifischen Experiment nicht direkt gemessen haben, legt die Tatsache, dass das Design mit der mittleren Schicht die Bildung eines zusammenhängenden Netzwerks von Rissen verhinderte, nahe, dass es auch sehr effektiv darin wäre, das Austreten von Wasserstoff zu verhindern. Dieser Befund bietet einen klaren Weg für Ingenieure bei der Entwicklung der nächsten Generation leichter, sicherer und wiederverwendbarer Wasserstofftanks für Fahrzeuge und Raumfahrzeuge und zeigt, dass eine einfache Änderung in der Anordnung des Heilungsmaterials einen tiefgreifenden Unterschied machen kann, wie gut der Tank den härtesten Umgebungen standhält.