Paradoxer Durchbruch! Ein neuer Vliesstoff leitet Strom aber fast keine Wärme

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Mit einem einfach zu realisierenden Materialkonzept ist es an der Universität Bayreuth gelungen, elektrische und thermische Leitfähigkeit zu entkoppeln. Lesen Sie, wie sie das schaffen.

Normalerweise haben Materialien nur eine hohe elektrische Leitfähigkeit, wenn sie auch Wärme gut leiten. Und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit geht mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit einher. In vielen Hightech-Industrien wachse jedoch das Interesse an multifunktionalen Materialien, die eine gute elektrische Leitfähigkeit dennoch mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit verbinden. Mit diesem strategischen Ziel wurden etwa dichte anorganische Materialien, konjugierte Polymere und Legierungen entwickelt. Doch im Bereich der flexiblen, faltbaren Materialien war es immer noch eine große Herausforderung, eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit zu kombinieren. Das hat sich nun offensichtlich geändert!

Kohlenstoff und Keramik schaffen Materialexoten

Denn ein Forscherteam an der Universität Bayreuth hat ein innovatives Konzept entwickelt, um diese Herausforderung zu lösen. Und zwar mit im Elektrospinnverfahren hergestellten Vliese aus Kohlenstoff und auf Silizium basierter Keramik. Die Fasern des Vlieses haben Durchmesser zwischen 500 und 600 Nanometern. Jede Faser enthält eine Matrix aus Kohlenstoff. Darin sind winzige Bereiche, die nur wenige Nanometer groß und mit der Keramikkomponente gefüllt sind, gleichmäßig verteilt. Diese Keramikphasen bilden winzige quasi winzige Inseln im Meer der Kohlenstoffmatrix. Auch haben sie entgegengesetzte, sich ergänzende Wirkungen. Die Kohlenstoffmatrix sorgt dabei für den Elektronentransport in den Fasern und damit für eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Die Keramikphasen können die Ausbreitung von Wärmeenergie ebenso wirksam verhindern. Das liegt daran, dass die Grenzfläche zwischen der nanoskaligen Keramik und der Kohlenstoffmatrix sehr stark ist, während die Poren des Vliesstoffs sehr klein sind, wie die Bayreuther Experten erklären. Infolgedessen kommt es zu einer starken Streuung von sogenannten Phononen, den kleinsten physikalischen Einheiten von Schwingungen, die durch thermische Energie verursacht werden. Ein kontinuierlicher gerichteter Wärmefluss findet dabei nicht statt.

Wie ungewöhnlich die Kombination aus hoher elektrischer und extrem niedriger thermischer Leitfähigkeit ist, zeigt ein Vergleich mit rund 4.000 anderen Materialien aller Art. Darunter finden sich Keramiken, Kohlenstoffe, natürliche Materialien, synthetische Polymere, Metalle, Gläser und verschiedene Verbundstoffe. Elektronentransport und thermische Energieisolierung sind bei dem neuen elektrogesponnenen Faserverbundwerkstoff stärker gekoppelt als bei den anderen Materialien. Die so hergestellten Kohlenstoff-Keramik-Vliese vereinen also multifunktionelle Eigenschaften, die eigentlich nur verschiedene Werkstoffklassen als Einzelphänomen haben. Die Kohlefasern wurden übrigens aus handelsüblichen Kunststoffen hergestellt.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit auf dem Bayreuther Campus

Bei der Entwicklung des neuen Materials und den erforderlichen Vorstudien haben Bayreuther Wissenschaftler aus unterschiedlichen Forschungszentren zusammengearbeitet. Beteiligt waren das Bayerische Polymerinstitut (BPI), das Bayreuther Zentrum für Kolloide und Grenzflächen (BZKG), das Bayerische Geoinstitut (BGI) und das Bayerische Zentrum für Batterietechnik (BayBatt)

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