Materialien der Zukunft

Ob eingebettet, geschichtet oder gesprüht: Graphen verleiht bestehenden Produkten neue Eigenschaften oder ermöglicht die Entwicklung neuer Produkte. Es reduziert auch die Materialmenge, die erforderlich ist, um die gleiche Leistung zu erzielen oder die Leistung auf ein bisher unerreichbares Niveau zu steigern.

Graphen und Metalle – Bewältigung künftiger Kupferknappheit

Da der Globus zunehmend elektrifiziert wird, wird die Nachfrage nach Metallen, insbesondere Kupfer, in den nächsten Jahrzehnten um eine Größenordnung steigen. Auf der anderen Seite wird bis 2030 mit einem Mangel von 10 Millionen Tonnen Kupfer gerechnet.

Graphene Flagship Associated Member GraphMaTech, Schweden, hat sich zum Ziel gesetzt, den Bedarf an Kupfer zu reduzieren und einen Teil davon durch Graphen zu ersetzen. Im Vergleich zu Kupfer allein schneiden Kupfer-Graphen-Verbundwerkstoffe in mehreren Parametern besser ab, darunter Härte, Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit bei Raumtemperatur. Darüber hinaus bewahren Graphenfüllstoffe die mechanischen Eigenschaften von Kupfer und reduzieren Elektromigrationseffekte, die dazu führen können, dass Schaltkreise ausfallen oder die Verbindung verloren geht.

„Wir haben Technologien zur Integration von Graphen in Metalle entwickelt, mit dem Ziel, Metall-Graphen-Verbundwerkstoffe zu verbessern. Wir können die Eigenschaften metallischer Werkstoffe steigern, sodass in bestimmten Anwendungen weniger Metall benötigt wird. Wir konzentrieren uns auf Elektrifizierungsanwendungen und erwägen die Verwendung wasserstoffkompatibler Graphenmetalle für die Wasserstoffwirtschaft der Zukunft“, sagte Mamoun Taher, CEO von GraphMaTech AB, während des von Graphene Flagship organisierten Webinars „Ermöglichung des grünen Übergangs mit Graphentechnologie“. Arbeitspaket Innovation am 27. Oktober 2022.

Mit Graphen beschichtete Glasfaser im Vergleich zu bloßer Glasfaser. Bildnachweis: Grafren AB

Graphen und Glasfasern – Hinzufügen neuer Funktionalitäten

Graphene Flagship Associated Member Grafren AB, Schweden, beschichtet Glasfasern direkt mit Graphenflocken, um ihre Eigenschaften zu verbessern. Herkömmliche Beschichtungsansätze auf Basis von Graphenfarben oder Bindemitteln sind auf Glasfasern nicht anwendbar. Graphen- und Glasfasern müssen auf nanoskaliger Ebene integriert werden, wodurch Graphenflocken auf der Oberfläche der Fasern zusammengesetzt und angeordnet werden. „Wir beschichten die Glasfasern auf einzigartige Weise mit Graphenflocken. Die resultierende Beschichtung ähnelt einer Schlangenhaut, mit vielen Flocken, die auf der Faseroberfläche angeordnet sind und einander überlappen“, erklärt Erik Khranovskyy, CEO von Grafren. Mit dem gleichen Ansatz hat das Team erfolgreich die Herstellung leichter und weicher E-Textilien – elektrisch leitfähiger Stoffe – demonstriert.

Graphen und Gummi – Gewinn der Goldmedaille bei der Tour de France 2022

Herkömmlicher Gummi, ob natürlich oder synthetisch, muss zum Aushärten eine chemische Vernetzungsreaktion durchlaufen. Diese Eigenschaften können während der Herstellung durch Zugabe von Compoundierungsbestandteilen weiter verbessert werden. Graphenoxid ist eines davon: Es kann Gummi sowohl vernetzen als auch verstärken. Es kann die Widerstandsfähigkeit von Gummi bei längerem Abrieb erhöhen und die Zug- und Reißfestigkeit, Feuerhemmung und Wärmebeständigkeit des Gummis verbessern.

Das Graphene Flagship Associated Member Vittoria Spa, Italien, verwendete Graphen in seinen Rennreifen und erzielte so verbesserte Ergebnisse in Bezug auf Geschwindigkeit und Rollverhalten (+5 %), Grip (+8 %), Pannensicherheit (+19 %) und Haltbarkeit. Vittorias Graphenverbindung der zweiten Generation (Graphene 2.0) gewann zahlreiche Grand-Tour-Rennen sowie europäische, französische, deutsche, österreichische, russische, brasilianische und panamerikanische Cross-Country-MTB-Meisterschaften. Allein im Jahr 2022 waren die mit Graphen verstärkten Rennreifen von Vittoria die schnellsten für Fahrräder aller Art und gewannen Rennen wie die Tour de France (Straße), die UCI Gravel World Championships sowie die UCI World Mountain Bike Championships im Cross Country und die UCI World Bahnmeisterschaften, bei denen erstklassige Leistungen in verschiedenen Disziplinen und im Gelände gezeigt werden.

Jonas Vingegaard gewinnt die Tour de France 2022 mit den Graphen-Rennreifen von Vittoria Spa. Bildnachweis: Vittoria Spa

Graphen und Beton – Mehr Graphen, weniger Zement

Mit Graphen angereicherter Beton ist 2,5-mal stärker und 4-mal weniger wasserdurchlässig als Standardbeton. Es wird viel weniger Zement benötigt, um die gewünschte Festigkeit zu erreichen. Da die Zementproduktion die Hauptursache für CO2-Emissionen in der Bauindustrie ist, wird erwartet, dass mit Graphen angereicherter Beton diese Emissionen um 30 % reduziert.

Im März 2022 stellte Graphene-Flaggschiffpartner Versarien die weltweit erste 3D-gedruckte Konstruktion mit graphenverstärkter Beimischung vor, die als Cementene™ geschützt ist. Später im Jahr 2022 arbeitete Versarien mit dem Designer Steuart Padwick zusammen, um aus Cementene™ Island Steps zu schaffen, eine 3D-gedruckte zementfreie Struktur, die auf der Design London vorgestellt wurde.

Graphen und Textilien – Weben leitfähiger Garne

Die Forscher im Flexible Electronics Work Package des Graphene Flagship entwickeln mit Graphen angereicherte leitfähige Polyestergarne (Polyethylenterephthalat, PET). Das Team verfolgt einen kollaborativen Ansatz: Das finnische Institut VTT erhält graphenbasierte Schichtmaterialien von der Universität Cambridge (Großbritannien) und verbindet sie mit PET. Anschließend wird das Material von der deutschen Firma Trevira GmbH gesponnen und zu Stoff gewebt. Bei technisch-ökonomischem Erfolg dürfte dieses Material zu einer neuen Art von leichtem, leitfähigem Garn werden.

Erfahren Sie mehr über Graphenprodukte: https://graphene-flagship.eu/innovation/products/

Mit Graphen angereicherter Stoff fungiert als Drucksensor und wurde auf die Schuhsohlen aufgebracht. Bildnachweis: Trevira

Das Graphen-Flaggschiff ist ein Flaggschiff der Europäischen Kommission für zukünftige und aufstrebende Technologien. Mit einem Budget von 1 Milliarde Euro stellt das Graphene Flagship eine neue Form der gemeinsamen, koordinierten Forschung in beispiellosem Ausmaß dar und bildet Europas größte Forschungsinitiative aller Zeiten.

Mit Graphen beschichtete Glasfaser im Vergleich zu bloßer Glasfaser. Bildnachweis: Grafren AB

Jonas Vingegaard gewinnt die Tour de France 2022 mit den Graphen-Rennreifen von Vittoria Spa. Bildnachweis: Vittoria Spa

Mit Graphen angereicherter Stoff fungiert als Drucksensor und wurde auf die Schuhsohlen aufgebracht. Bildnachweis: Trevira

Das Graphen-Flaggschiff ist ein Flaggschiff der Europäischen Kommission für zukünftige und aufstrebende Technologien. Mit einem Budget von 1 Milliarde Euro stellt das Graphene Flagship eine neue Form der gemeinsamen, koordinierten Forschung in beispiellosem Ausmaß dar und bildet Europas größte Forschungsinitiative aller Zeiten.