Torays neues flammhemmendes CFK-Prepreg setzt neuen Standard für Luftfahrt-Performance

Toray Industries Inc. (Tokyo, Japan) hat ein Carbonfaser-verstärktes Kunststoff (CFK) Prepreg für fortschrittliche Luftfahrtanwendungen entwickelt. Das Unternehmen nutzte Materials-Informatics-Technologie – eine Technik, die Machine Learning, theoretische Dichte, Simulationen und Datenbanken kombiniert – um schnell optimale hohe Flammhemmung und mechanische Performance für dieses Material zu erreichen. Das Unternehmen wird Demonstrationsversuche vorantreiben, um CFK-Anwendungen und -Nachfrage auf Flugzeuge, Automobile und allgemeine industrielle Nutzung auszuweiten.

Herausforderung: Flammhemmung und Leitfähigkeit

Laut Toray ist CFK zwar mechanisch Metallen überlegen, hat aber funktionale Nachteile, einschließlich Flammhemmung und elektrischer Leitfähigkeit; die Verbesserung dieser Eigenschaften wird daher als wünschenswert angesehen. Die Entwicklung und Optimierung verschiedener Flammhemmungs- und mechanischer Eigenschaften erfordert jedoch große Mengen an experimentellen Daten. Es war auch schwierig, Entwicklungsvorlaufzeiten drastisch zu verkürzen, so Toray.

Materials Informatics als Lösungsweg

Als Teil seiner Digitalisierungsinitiativen, die auf Daten und digitale Technologien zur Wettbewerbssteigerung setzen, setzte Toray Materials Informatics in der CFK-Entwicklung ein und etablierte eine Technologie, um Materialien schnell durch Nutzung inverser Problemanalyse zu entwickeln, um Materialdesigns basierend auf den geforderten Eigenschaften zu verfeinern.

Das Unternehmen nutzte eine Self-Organizing Map, die in gemeinsamer Forschung mit der Tohoku University eingesetzt wurde, als Werkzeug für diese Analyse, was die Identifikation geeigneter Materialkombinationen zur Erreichung der gewünschten Eigenschaften via Experimente ermöglichte. Dies führte zur erfolgreichen Entwicklung einer Matrixharz für die Faserverstärkung zum CFK-Prepreg.

Ergebnisse und Ausblick

Das Prepreg soll äquivalente Druckfestigkeit, Hitzebeständigkeit und andere mechanische Eigenschaften wie aktuelle Luftfahrtmaterialien bieten. Gleichzeitig liefert es eine 35 % niedrigere Wärmefreisetzungsrate (Heat Release Rate) im Vergleich zu diesen Materialien. Zudem plant Toray, inverse Problemanalyse auf Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und andere Elemente anzuwenden, um hochfunktionale Prepregs zu entwickeln, die diversifizierte Bedürfnisse in Flugzeug-, Automobil- und allgemeinen Industriekomponenten bedienen.

Ein Teil von Torays Fortschritten in dieser Entwicklungsarbeit war Teil von „Materials Integration“ für Revolutionary Design System of Structural Materials unter dem Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program (SIP). SIP wird vom Council for Science, Technology and Innovation (CSTI) des Cabinet Office, Government of Japan, geleitet, worüber die Japan Science and Technology Agency überwacht.