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Lignin-Epoxid und CeO₂ stärken Carbonfaser-Verbunde
Ein chinesisches Forschungsteam hat eine neuartige „rigid-flexible“-Grenzflächenstruktur für Carbonfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoffe entwickelt. Durch die Kombination eines flexiblen ligninbasierten Epoxidharzes mit einem starren Nano-Ceroxid-Sol konnten die interlaminare Scherfestigkeit um 55 %, die Biegefestigkeit um 95 % und die Zugfestigkeit um 67 % gesteigert werden.
Die Optimierung der Spannungsverteilung und Lastübertragungseffizienz an der Grenzfläche zwischen Carbonfasern (CF) und Harzmatrix stellt eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung leistungsfähiger Faserverbundwerkstoffe dar. Das Forschungsteam verfolgt einen neuartigen „rigid-flexible hybrid“-Ansatz, der ein flexibles ligninbasiertes Epoxidharz (LBEP) mit einem starren Nano-Ceroxid-Sol (CeO₂) kombiniert. Beide Komponenten wirken synergistisch, um die Grenzflächeneigenschaften zwischen Carbonfaser und Epoxidmatrix (EP) zu verbessern.
Das starre CeO₂, das gleichmässig im Grenzflächenbereich verteilt vorliegt, verstärkt durch physikalische Verankerung und Rissablenkungsmechanismen die mechanische Verzahnung sowie die Tragfähigkeit. Das flexible LBEP fungiert dagegen als multifunktionale Brückenphase: Seine zahlreichen reaktiven funktionellen Gruppen bilden stabile kovalente Bindungen sowohl mit der Carbonfaseroberfläche als auch mit der Harzmatrix aus und mindern Spannungskonzentrationen durch Konformationsanpassungen der Molekülketten und Energiedissipation.
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Deutliche Steigerung der mechanischen Kennwerte
Die synergistische Wirkung beider Komponenten verbessert nicht nur die Benetzbarkeit und Rauheit der Carbonfaseroberfläche, sondern erzeugt an der Grenzfläche eine mehrstufige Struktur, die hohe Festigkeit und Zähigkeit integriert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen deutliche Verbesserungen: Die interlaminare Scherfestigkeit (ILSS) der modifizierten CF/EP-Verbundwerkstoffe stieg um 55 %, die Biegefestigkeit um 95 % und die Zugfestigkeit um 67 %.
Der Ansatz zeichnet sich zudem durch einen einfachen Prozess und den Einsatz erneuerbarer Rohstoffe aus: Lignin dient als umweltfreundliche Alternative zu petrochemisch basierten Modifikatoren. Damit liefert die Studie eine vielversprechende Strategie für die Grenzflächengestaltung leistungsfähiger Carbonfaser-Verbundwerkstoffe – mit Perspektiven für Anwendungen etwa im Fahrzeugbau, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Windenergie, wo mechanische Belastbarkeit und Nachhaltigkeit zunehmend zusammengedacht werden.
Quelle: Wu, S. et al. Construction of a „rigid-flexible“ interfacial structure using lignin-based epoxy sizing agent and nano-CeO2 sol for enhanced mechanical performance of carbon fiber/epoxy composites. Prog. Org. Coat. (2026). https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2026.110166
