Bewältigung rauer Umgebungen mit Aramid-Keramik-Verbundwerkstoffen

Verschleißfeste, wärmeisolierende Materialien für raue Umgebungen stoßen bei Entwicklung und Herstellung häufig auf unerwartete Herausforderungen. Einerseits muss das Material bestimmte Eigenschaften – wie beispielsweise Schlagfestigkeit – beibehalten, andererseits verschlechtert sich seine Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen oft (insbesondere die Hitzebeständigkeit nimmt ab). Daher erfordert die Herstellung langlebiger Wärmeschutztextilien häufig komplexe Fertigungsprozesse, die die Kombination mehrerer Materialien beinhalten.

Aramid Fasern Aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften werden sie häufig in Schutzanwendungen eingesetzt – beispielsweise in der Ausrüstung von Feuerwehrleuten und Rettungskräften. Ihre thermischen Eigenschaften schränken jedoch ihren Nutzen ein; ihre relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und die temperaturempfindliche Polymerstruktur erschweren es, einen ausreichenden Wärmeschutz über einen weiten Temperaturbereich zu gewährleisten und gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit aufrechtzuerhalten.

Keramische Aerogele bieten im Gegensatz dazu dank ihrer mesoporösen Struktur, die sich durch eine hohe spezifische Oberfläche und geringe Dichte auszeichnet, hervorragende Isolationseigenschaften. Allerdings weisen diese ultraleichten Materialien eine geringe mechanische Sprödigkeit und schlechte mechanische Eigenschaften auf.

Forscher der Universität Buffalo haben die Stärken beider Materialien kombiniert und einen verschleißfesten Aramid/Keramik-Aerogel-Nanokomposit entwickelt, der hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften aufweist.


Eine Probe des neuen Aramid-Aerogel-Nanokomposits ruht auf einer Blütenknospe und demonstriert so das geringe Gewicht des Materials. Aufgrund dieser Eigenschaften ist der neue Nanokomposit ein vielversprechender Kandidat für die kostengünstige Herstellung tragbarer Textilien, die für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Elektronik und bei persönlicher Schutzausrüstung, vorgesehen sind.

Ein Team unter der Leitung eines Professors der Universität Buffalo präsentierte seine Ergebnisse zu diesem fortschrittlichen Aramid-Keramik-Aerogel-Verbundwerkstoff. Das Material zeichnet sich durch eine geringe Dichte (0,08 g cm⁻³), eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (0,034 W m⁻¹ K⁻¹) und eine hohe Kompressibilität sowie eine Druckfestigkeit von 1,1 MPa aus. Das Verfahren beinhaltet die Herstellung eines Aramid-Aerogel-Gewebes durch eine In-situ-Vernetzungsreaktion zwischen Aramid und Keramik. Aramidfasern und Silica-Aerogel-Vorstufen (HCl, CTAB-Mizellen, Harnstoff und Natriumsilikat). Nanowerk beschreibt den Herstellungsprozess wie folgt: „Wir haben eine einfache und skalierbare Fertigungsstrategie angewendet, um den Nanokomposit durch eine In-situ-Vernetzungsreaktion zwischen nanoporösem Silica-Aerogel und Aramidfasern herzustellen. Die resultierenden Nanokompositfasern bilden ein dreidimensionales Netzwerk, das mit einer hohlen, mesoporösen Silicamatrix verbunden ist.“ Die Aerogelfaserstruktur zeichnet sich durch ein vernetztes Porennetzwerk und einen hohen Anteil an eingeschlossener Luft aus, wodurch der Aramidfaser-Aerogel-Verbundwerkstoff selbst in extremen Umgebungen von -196 °C bis 400 °C eine außergewöhnliche Wärmedämmleistung aufweist.

Der Schlüssel zu diesem Herstellungsverfahren liegt in der In-situ-Vernetzung zwischen den Silica-Aerogel-Vorstufen und den Aramidfasern. Während des Trocknungsprozesses bei Umgebungsdruck wandeln sich die Vorstufen in nanoporöses Silica-Aerogel um und lagern sich auf den Aramidfasern ab. Die Aramidfasern bilden ein Perkolationsnetzwerk, in dem sich das Silica-Aerogel vernetzt und ablagert. Die während der Gelierung entstehende Grenzflächenbindung zwischen den Aramidfasern und dem Aerogel verhindert zusätzlich das Zusammenfallen des Fasernetzwerks.

Nachdem das Team die überlegenen Eigenschaften dieses Nanokomposit-Isoliermaterials erfolgreich demonstriert hat, untersucht es nun spezifische Anwendungen, darunter Wärmedämmung und verschleißfeste Systeme, stoßfeste Panzerungen und Strukturbauteile für wärmeempfindliche Anwendungen.