Leichte LCEs absorbieren Stöße wie Metall

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Ein neues Material aus flüssigkristallinen Elastomeren kann die Energie von Stößen effektiv absorbieren (Quelle: Will Kirk/Johns Hopkins University | Newatlas)

Forscher der Johns Hopkins University haben ein neues stoßdämpfendes Material entwickelt, das sehr leicht ist, aber eine Schutzwirkung vergleichbar mit der von Metall besitzt. Den Forschern zufolge könnte das Material zur Verbesserung der Sicherheit von Helmen, Schutzwesten, Stoßfängern und anderen Teilen von Fahrzeugen und Flugzeugen eingesetzt werden, da es die Aufprallenergie effektiv ableitet und aufgrund seines Aufbaus leicht ist.

Der Schlüssel zu dem neuen Material sind so genannte flüssigkristalline Elastomere (LCEs). LCEs sind Netzwerke aus elastischen Polymeren in einer flüssigkristallinen Phase, die ihnen eine Kombination aus Elastizität und Stabilität verleihen. ,

LCEs werden normalerweise für die Herstellung von Aktuatoren und künstlichen Muskeln für die Robotik verwendet: Unter dem Begriff flüssigkristalline Elastomere (Liquid Crystalline Elastomers, LCEs) versteht man eine recht junge Werkstoffklasse, die vielfältige technische Anwendungen als Funktionswerkstoff für Aktoren und Sensoren erwarten lässt und für einige bereits intensiv untersucht wird. Dabei reicht ihr derzeitig voraussehbares Anwendungsspektrum von mikromechanischen Systemen über künstliche Muskeln und andere Antriebssysteme bis hin zu weichen Kontaktlinsen oder intelligenten aktiven Oberflächen. Von besonderem Interesse sind LCEs, die ihre Form durch die Einwirkung einer Temperaturänderung, eines elektrischen Feldes oder von Licht als Steuersignal reversibel ändern und damit einen technisch nutzbaren Formgedächtniseffekt zeigen können. In diesem Beitrag wird eine kurze Einführung zu LCEs und ihren (künftigen) technischen Anwendungsmöglichkeiten gegeben. (Quelle: Fraunhofer)

… aber hier untersuchten die Forschenden die Fähigkeit der LCEs, Energie zu absorbieren. Das Team stellte Materialien her, die aus geneigten LCE-Balken bestanden, die zwischen steifen Stützstrukturen eingebettet waren. Diese Grundeinheit wurde in mehreren Schichten angeordnet, so dass es sich bei einem Aufprall unterschiedlich stark verbiegt und die Energie effektiv ableitet.

„Wir sind begeistert von unseren Erkenntnissen über die extreme Energieabsorptionsfähigkeit des neuen Materials. Das Material bietet mehr Schutz vor einer mechanischen Impulsbelastungen, ist aber gleichzeitig leichter als bisherige Werkstoffe und könnte so den Kraftstoffverbrauch und die Umweltauswirkungen von Fahrzeugen verringern, während es für die Träger von Schutzkleidung durch das geringe Gewicht vor allem eine Verbesserung des Tragekomforts bedeutet.“
Sung Hoon Kang, ein Assistenzprofessor für Maschinenbau, Johns Hopkins University

Flüssigkristalline Elastomeren in verschiedenen Formen (Quelle: Will Kirk/Johns Hopkins University | Newatlas)

In einer Reihe von Experimenten testeten die Forschenden, wie gut das Material Stößen mit unterschiedlichen Massen und Geschwindigkeiten standhalten konnte. Dazu wurden Materialproben von Objekten mit einem Gewicht zwischen 1,8 und 6,8 kg mit einer Geschwindigkeit von maximal 35,4 km/h getroffen. Sie hielten tatsächlich stand. Dabei überraschte es das Team nicht, dass ein Aufbau aus mehr Schichten besser abschnitt. Eine Struktur mit vier Schichten wies beispielsweise eine fast doppelt so hohe Energieabsorptionsdichte auf wie eine einlagige Struktur.

Der erste Anwendungsfall mit einem Industriepartner werden Helme als Schutzausrüstung für Sportler und das Militär sein, die nun entwickelt und getestet werden. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung, Blogbeitrag

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