Graphenfasern fester als Stahl

Kunststoffe, die mit leichten und festen Kohlenstofffasern verstärkt werden, werden im Flugzeug- und Automobilbau immer beliebter. Diese CFK-Materialien könnten mit neuartigen Fasern, gesponnen aus hauchdünnen Graphen-Kohlenstoffschichten, noch deutlich verbessert werden. Dieses Ziel rückt nun mit einer Fertigungsmethode, die Wissenschaftler entwickelt haben, einen großen Schritt näher. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, konnten sie sowohl die hohe Festigkeit als auch die gute elektrische Leitfähigkeit von Graphen-Schichten auf die neuen Fasern übertragen.

Strukturen die faserartig von oben nach unten verlaufen.
Graphenfasern unter dem Mikroskop

„Bisher ist es schwierig, gleichzeitig eine hohe Festigkeit mit sehr guten thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten zu vereinen“, sagen Jie Lian und seine Kollegen vom Rensselaer Polytecnic Institute in Troy. Genau dieses Ziel erreichten die Forscher mit etwa einem Zehntel Millimeter dicken Graphenfasern, die sich aus unterschiedlich großen Graphenoxid-Flocken spinnen ließen.

Ausgangssubstanz der Faserfertigung war fein gemahlenes Grafit-Pulver, das die Forscher mehrmals in konzentrierte Schwefelsäure mischten, über einen Tag auf 80 Grad erhitzten und wieder trockneten. Durch die Zugabe eines Oxidationsmittels, Kaliumpermanganat, entstanden größere Graphenoxid-Flocken mit etwa 20 Mikrometer Durchmesser. Diese ließen sich in einem Ultraschallbad in kleinere Flocken mit knapp einem Mikrometer Durchmesser zerhacken. Lian und Kollegen vermischten danach große und kleine Graphenoxidflocken in einem Lösungsmittel. Diese Flockenmischung spritzten sie durch eine feine Düse in eine schnell rotierende Flüssigkeit. Dabei entstanden die gewünschten Fasern von einigen Millimeter Länge, die darauf eingesammelt und getrocknet werden konnten.

Unter dem Mikroskop offenbarte sich der mehrschichtige Aufbau dieser Fasern. In Faserrichtung ausgerichtet wechselten sich kleinere und größere Graphenoxidflocken regelmäßig ab und füllten so den zur Verfügung stehenden Raum sehr gut aus. Erhitzt auf bis zu 2850 Grad konnten sich die bisher gebundenen Sauerstoffatome lösen. Dank dieser thermischen Reduktion stieg die elektrische Leitfähigkeit der Fasern deutlich an. Die Stabilität der Fasern erhöhte sich bereits beim Erhitzen auf 1800 Grad. Mit über 1000 Megapascal lagen die Werte für die Zugfestigkeit sogar über denen von modernen Stahllegierungen.

Diese Methode zeigt, dass Kohlenstofffasern aus Graphen eine hohe Stabilität mit guter elektrischer und thermische Leitfähigkeit vereinen können. Vor einer Anwendung in neuen Kompositmaterialien für den Leichtbau, in widerstandsfähigen Stromleitungen oder der Leistungselektronik müsste das Verfahren aber weiter optimiert werden, um große Fasermengen günstig herstellen zu können.