Nanoröhrchen-Material: Strecken macht stark

Raleigh (USA)/Suzhou (China) - Deutlich stabiler bei gleichem Gewicht ist karbonverstärkter Kunststoff, wenn man die enthaltenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorher streckt und ordnet. Das ist das Ergebnis einer neuen Herstellungsmethode aus den USA und China. Die Vorbehandlung der Nanoröhrchen und das enge Zusammenlagern verdoppelte nicht nur die Zugspannung und Steifigkeit des fertigen Materials, sie verbesserte auch seine thermische und elektrische Leitfähigkeit deutlich, berichtet das Team in den „Materials Research Letters“. Da sich der Prozess leicht auf einen industriellen Maßstab erweitern lassen soll, dürfte die Marktfähigkeit nicht lange auf sich warten lassen.

„Ein Kompositmaterial mit nie dagewesener Multifunktionalität“ präsentiert Yuntian Zhu, Materialforscher an der North Carolina State University. Gemeinsam mit Kollegen in China und den USA – vom Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, dem Marshall Space Flight Center und dem Oak Ridge National Laboratory – hatte er am Einbetten der Karbonfasern angesetzt. Seine neue Methode nutzt übliche, vorgefertigte Felder von Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT), die wie dünne – leicht schlappe – Bäume im Wald in die Höhe ragen. Werden sie allerdings so in Kunststoff eingebettet, liegen sie dort wellig nebeneinander und das Material zeigt eher enttäuschende Eigenschaften. Deshalb griffen die Forscher um Zhu nun die freien Enden der Röhren zogen sie parallel in eine Richtung. Über rotierende Spulen wurden sie dann gedehnt und mit einer Polymerlösung besprüht, um sie eng aneinander zu binden und einzubetten. So erreichte das Team eine Art flaches, breites Band mit einem hohen CNT-Anteil pro Volumen, das sich in Schichten weiterverarbeiten lässt.

„Unser stärkstes CNT-Komposit ist mindestens 15 Prozent stärker als das derzeit beste technische Komposit“, schreiben die Forscher. Die Zugfestigkeit des Kunststoffbandes stieg im Vergleich zum üblichen Material um rund 90 Prozent auf bis zu 3,8 Gigapascal und die Steifigkeit wuchs auf mehr als das Doppelte. Die Wärmeleitfähigkeit verdreifachte sich sogar beinah auf 40 Watt pro Meter und Kelvin und die elektrische Leitfähigkeit stieg um immerhin 50 Prozent auf 1230 Siemens pro Zentimeter.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen allein sind bereits eine Größenordnung belastbarer als andere technische Fasern. In Kunststoff eingebettet, wird dieser umso stabiler, je mehr Röhren eingebettet werden, je längere sie sind, je paralleler sie lagern und dass sie so gleichmäßig wie möglich liegen. Dies optimiert die neue Produktionsmethode: Leichter, flexibler und mit deutlich besserer Leitfähigkeit ist das Material nicht nur für den Einsatz in Fahrrädern oder Karosserieteilen interessant.