SFB 986
Maßgeschneiderte
Multiskalige
Materialsysteme

Ziel des Teilprojektes B1 ist es, die elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoffbasierten Nanopartikeln, wie (i) gerichtete Kohlenstoffnanotubes (CNTs) und (ii) neuartige dreidimensional vernetzte Aerographite über mehrere hierarchische Ebenen zu nutzen, deren physikalische Wechselwirkungen zu beschreiben und zu verstehen und daraus das Anwendungspotential, auch in Verbindung mit glas- oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, zu nutzen.

Im Rahmen von Vorarbeiten in der Landesexzellenzinitiative „Integrated Materials Systems“ (LEXI) konnte:

(i) ein kombiniertes Verdichtungs-/Harzinfiltrationsverfahren entwickelt werden, das es ermöglicht filmartige CNT/Epoxid-Komposite mit elektrischen Leitfähigkeiten von 36.000 S/m bei einem vielfach gesteigerten E-Modul herzustellen. Diese Eigenschaften sind durch CNT-Gewichtsanteile von ca. 68 wt% in der Epoxidmatrix und der quasi-unidirektionalen Ausrichtung der verwendeten mm-langen MWCNTs möglich (Abbildung 1) [1].

(ii) eine neuartige, dreidimensional vernetzte graphitische Struktur, das Aerographit, synthetisiert werden, das extrem leicht, elektrisch leitfähig und mechanisch stabil ist (Abbildung 2) [2].

Im Rahmen des SFB-Projektes sollen die Piezoresistivität und die elektrischen und thermischen Leitungsmechanismen dieser Komposite gezielt untersucht werden. Trotz der im Vergleich zu ungerichteten und niedrig gefüllten CNT/Epoxid-Kompositen (meist auf Basis der Dispergierung der Nanofüllstoffe), herausfordernder Herstellung, ist der innere Aufbau dieser gerichteten CNT/Epoxid-Komposite weniger komplex. Mithilfe einer gezielt geordneten inneren Morphologie wird ein studierbares Modellmaterial für wissenschaftliche Fragstellungen, aber auch technische Anwendungen (z.B. in Elektronik/Sensorik) zur Verfügung gestellt.

Anhand von verschiedenen CNT-Variationen (Wandanzahl, Strukturqualität des Gitters, Funktionalisierung, Geometrie) und geänderten inter-CNT Abständen sowie verschiedener Epoxid-Matrix-Systeme, sollen systematische Studien zur Klärung von allgemeinen Leitfähigkeits- und Verstärkungsmechanismen ermöglich werden, wie beispielsweise ein tieferes Verständnis zum Tunneln der elektrischen Ladungen bei geänderten Umgebungen. Gerade durch die Einbeziehung der neu zu entwickelnden Aerographit/Epoxid-Komposite wird ein tieferes Verständnis erwartet, da z.B. der Einfluss von direkt verknüpften Leitungspfaden im Kompositvolumen untersucht werden kann.

Aerographite sind dreidimensional vernetzte „schwammartigen Gebilde“ mit inneren Strukturelementen aus dünnen graphitischen Wänden (Abbildung 2). Sie resultieren aus einer Gemeinschaftsforschung des „Institut für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe“ der TUHH (Prof. K. Schulte) und des „Institut für Materialwissenschaften – Funktionale Nanomaterialien“ der Universität Kiel (Prof. R. Adelung). Erstmalig sollen diese Aerographite bezüglich ihres Einflusses auf die elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von Nanokompositen untersucht werden: Die Integration des Aerographits in ein Polymer führt zu dreidimensionalen, graphitischen Netzwerken, so dass hier isotrope Kompositeigenschaften zu erwarten sind. Dadurch, dass die Netzwerkstruktur kontrolliert einstellbar ist, werden somit umfangreiche Studien zum Einfluss von Aspektverhältnissen und Vernetzungsdichten möglich. Ziel ist es, diese Einstellbarkeit von direkten Verbindungen und somit direkten Pfaden für den Ladungstransport gezielt zu nutzen, um klassenübergreifend ein tieferes Verständnis der Ausbildung der elektrischen Leitfähigkeit von  Polymernanokompositen zu gewinnen.

Leitziele für die Untersuchungen und den Vergleich der gerichteten CNT/Epoxid-Komposite mit den Aerographit/Epoxid-Kompositen sind die Aufdeckung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die Ableitung von allgemeinen Gesetzmäßigkeiten hieraus.

[1] M. Mecklenburg, K. Schulte: „Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitfähige Nanopartikel enthaltenden Polymer-Kompositen sowie mit dem Verfahren hergestellte Polymer-Komposite; Patentanmeldung Nr. 10 2011 051 871.1, Aktenzeichen: 10 2011 051 871.1.; Eingereicht am 15.07.2011.

[2] M. Mecklenburg, A. Schuchardt, Y.K. Mishra, S. Kaps, R. Adelung, A. Lotnyk, L. Kienle, K. Schulte;  Aerographite: Ultra Lightweight, Flexible Nanowall, Carbon Microtube Material with Outstanding Mechanical Performance; Adv. Mater. 2012, Vol. 24 No. 26 pp 3486-3490.