Leuchtende Mikrostrukturen machen Materialermüdung sichtbar

Bisher war es schwierig, innere Schäden bei Kompositmaterialien nachzuweisen

Wenn Risse oder Schwachstellen im Inneren eines Materials auftreten, dann sind diese von außen kaum feststellbar. In solchen Fällen ist es sehr schwierig, Materialermüdung rechtzeitig zu erkennen und darauf zu reagieren. Noch schwieriger ist es, Materialschäden in Kompositmaterialien nachzuweisen. Eine neue Untersuchungsmethode ist nun jedoch in der Lage, auch in diesen Stoffen innere Schäden sichtbar zu machen.

Ein Forschungsteam hat gezeigt, dass die Stabilität von Kunststoffkompositen, denen eine bestimmte Form von Zinkoxid beigemischt ist, mithilfe von Lichteinstrahlung von außen bestimmt werden kann. Das neue Konzept könnte zahlreiche ingenieurtechnische Probleme lösen, da Kunststoffkomposite vom Fahrzeugbau bis hin zur Medizintechnik verbreitet sind und gezielt für Hochbelastungsanwendungen entwickelt werden.

"Die Lumineszenz von mikrostrukturierten Zinkoxidtetrapoden ist eine etablierte aber äußerst interessante Eigenschaft, die sich unter mechanischer Belastung verändert. Uns wurde schnell klar, dass man damit innere Materialschäden sichtbar machen könnte", sagt Yogendra Mishra von der Technischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Das Forschungsteam hatte Zinkoxidtetrapoden mit einem Silikonpolymer (Polydimethylsiloxane) vermischt und die Eigenschaften des so entstandenen Kompositmaterials untersucht. Sie fanden heraus, dass das Silikonmaterial durch die Zinkoxidkristalle nicht nur fester wird, sondern auch ein ungewöhnliches Lichtreflexionsverhalten aufweist.

Licht als optisches Warnsignal

Bei Bestrahlung mit UV-Licht verändert sich unter mechanischer Belastung die Intensität des reflektierten Lichtes und damit seine Farbe. "Die Mikro-Nano-Kristalle geben eine Art optisches Warnsignal, wenn das Kompositmaterial durch Belastung zu versagen droht", erläutert die Doktorandin Xin Jin. "Die Veränderung der Leuchteigenschaften von definierten Halbleiter-Mikrostrukturen durch mechanische Beanspruchung - wie wir es für die Zinkoxid-Tetrapoden erstmalig gezeigt haben - könnte auch für viele andere Leuchtstoffsysteme von Bedeutung sein. Wir erwarten weitere spannende Entwicklungen auf dem Gebiet der 'self-reporting materials'", ergänzt Cordt Zollfranck von der TU München (TUM).

Kompositpolymere werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt - von Zahnimplantaten bis hin zu Raumfahrzeugen. Sie bestehen aus zwei oder mehr Ausgangsmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften - zum Beispiel Silikon und Zinkoxid - die im Materialverbund bessere Eigenschaften haben. Je nach Bedarf können sie besonders leicht, mechanisch robust und preiswert herstellbar designt werden. Rainer Adelung, Leiter der im Fachjournal "Advanced Materials" erschienene Studie, betont: "Materialien wie die untersuchten Zinkoxidkristalle sind offenbar eine exzellente Komponente für zahlreiche spezielle Kompositmaterialien - auch in Konstruktionen, deren Versagen zu katastrophalen Unfällen führen kann." (red, derStandard.at, 30.11.2012)

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