Forschungsprojekte

Bionik macht Faserverbundwerkstoffe ermüdungsfester

Ergebnisse könnten hilfreich sein, um nachhaltige, biobasierte Faserverbundwerkstoffe mit Hilfe bionischer Ansätze ermüdungsfester zu machen.

Cellulosefaser in einem Meer aus Polymer
Cellulosefaser in einem Meer aus Polymer | Quelle: Milan Kelch, AG Biologische Werkstoffe, HSB​​​

Bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen kommt es häufig zu einem abrupten Steifigkeitsübergang an der dünnen Faser-Matrix-Grenzschicht. Dieser scharfe Eigenschaftsübergang führt zu reduzierten Zähigkeitseigenschaften des Verbundwerkstoffs und zu einer geringeren Ermüdungsfestigkeit. Das bedeutet, dass ein Produkt, das dynamischen Belastungen ausgesetzt ist, eine kürzere Lebensdauer hat.

Forscher der Arbeitsgruppe Biologische Werkstoffe am B-I-C- (Bionik-Innovation-Centrum) der Hochschule Bremen (HSB) haben sich, im Forschungsverbund mit dem DTNW (Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West gGmbH), Krefeld und dem IWM (Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik) in Freiburg, dieser Problemstellung in einem multidisziplinären Ansatz gewidmet und überaus spannende Ergebnisse erzielt, die aktuell im renommierten Wissenschaftsjournal „Cellulose“ erschienen sind.

In der Natur finden sich Pflanzenstrukturen wie Bambus, die hohen mechanischen und zyklischen Belastungen ausgesetzt sind und gute Dämpfungseigenschaften aufweisen müssen. Die hohe Belastbarkeit dieser Strukturen ist auf gradierte Steifigkeitsübergänge zwischen Verstärkungselementen und der umgebenden Matrix zurückzuführen. Dadurch wird ein Versagen der Grenzschicht verhindert und eine hohe Ermüdungsfestigkeit erreicht.

Dr. Jörg Müssig, Professor für Biologische Werkstoffe an der HSB, fasst die Ergebnisse wie folgt zusammen: „Unsere Arbeit zeigt, dass die Entwicklung einer bio-inspirierten Grenzschicht in Faserverbundwerkstoffen zu deutlich besseren Ermüdungseigenschaften führen kann und wir damit die Sicherheit von Bauteilen verbessern können“. Dr. Thomas Bahners vom DTNW fügt hinzu: „Die photochemische Erzeugung der Grenzschichten erlaubt uns eine sehr effektive und umweltfreundliche Verfahrenstechnik“. „Ein messbares Beispiel dafür wie Lösungsprinzipien der Natur technische Anwendungen verbessern können“, schließt Dr. Michael Luke vom Fraunhofer IWM.

Insgesamt stellen die vorgestellten Arbeiten ein wunderbares Beispiel dar, wie in multidisziplinärer Forschung, durch grundlegende Fragen aus der Bionik, der Entwicklung neuer photochemischer Verfahren und der Verbesserung von Verbundwerkstoffen, sichere und leistungsfähigere Produkte für die Anwendung entwickelt werden können. 

Hochschule
Hochschule Bremen
Förderer / Auftraggeber
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
"Open-Access“-Förderung durch das Projekt DEAL
Projektpartner

Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West gGmbH, Krefeld

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, Freiburg

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Jörg Müssig
AG Biologische Werkstoffe
B-I-C (Bionik-Innovations-Centrum)
Hochschule Bremen - City University of Applied Sciences
jmuessig@bionik.hs-bremen.de

Weitere Informationen zum Projekt