Forscher entwickeln neuartige Vliesstoffe, die elektrisch leitend, aber thermisch isolierend sind

4. April 2023

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von der Universität Bayreuth

Forscher der Universität Bayreuth stellen in Science Advances neuartige elektrogesponnene Vliesstoffe vor, die eine ungewöhnliche Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit und extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Die Vliesstoffe stellen einen Durchbruch in der Materialforschung dar: Durch ein einfach umzusetzendes Materialkonzept ist es gelungen, elektrische und thermische Leitfähigkeit zu entkoppeln. Die Vliesstoffe werden im Elektrospinning-Verfahren aus kohlenstoff- und siliziumbasierter Keramik hergestellt und sind attraktiv für technologische Anwendungen, beispielsweise in der Energietechnik und Elektronik. Sie können im industriellen Maßstab kostengünstig hergestellt und verarbeitet werden.

Normalerweise ist eine hohe elektrische Leitfähigkeit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verbunden, und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit geht mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit einher. Allerdings besteht in vielen High-Tech-Industrien ein wachsendes Interesse an multifunktionalen Materialien, die guten elektrischen mit geringem Wärmetransport kombinieren.

Obwohl für die Materialien verschiedene Strategien entwickelt wurden, etwa dichte anorganische Materialien, konjugierte Polymere und Legierungen, ist das Erreichen einer extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit immer noch eine große Herausforderung für flexible, faltbare Materialien.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat das Forscherteam der Universität Bayreuth ein innovatives Konzept entdeckt: Neue elektrogesponnene Vliesstoffe bestehen aus Keramik auf Kohlenstoff- und Siliziumbasis und bestehen aus Fasern mit einer Nanostruktur vom Typ „Seeinsel“ und einem Durchmesser zwischen 500 und 600 Nanometern.

Jede Faser enthält eine Kohlenstoffmatrix, in der nanoskalige Keramikphasen homogen verteilt sind. Die Partikel bilden winzige „Inseln“ im „Meer“ der Kohlenstoffmatrix und haben gegensätzliche, komplementäre Wirkungen. Die Kohlenstoffmatrix ermöglicht den Elektronentransport in den Fasern und damit eine hohe elektrische Leitfähigkeit, während die nanoskalige Keramik auf Siliziumbasis die Ausbreitung thermischer Energie ebenso leicht verhindert.

Dies liegt daran, dass die Grenzfläche zwischen der Nanokeramik und der Kohlenstoffmatrix sehr hoch liegt, während die Poren des Vliesstoffs sehr klein sind. Dadurch kommt es zu einer starken Streuung der Phononen, den kleinsten physikalischen Schwingungseinheiten, die durch thermische Energie ausgelöst werden. Ein kontinuierlicher gerichteter Wärmefluss findet nicht statt.

Die ungewöhnliche Kombination aus hoher elektrischer und extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit wird nun durch einen Vergleich mit mehr als 3.900 Materialien aller Art verdeutlicht, darunter Keramik, Kohlenstoff, natürliche Materialien, synthetische Polymere, Metalle, Gläser und verschiedene Verbundwerkstoffe. Elektronentransport und Wärmeenergieisolierung waren im neuen elektrogesponnenen Verbundfasermaterial stärker gekoppelt als in diesen anderen Materialien.

„Unsere elektrogesponnenen Vliesstoffe vereinen hochattraktive multifunktionale Eigenschaften, die üblicherweise auf verschiedene Materialklassen verteilt sind: hohe elektrische Leitfähigkeit, die von Polymerschäumen bekannte Wärmedämmung sowie die für Keramik charakteristische Unbrennbarkeit und Hitzebeständigkeit. Die Fasern basieren auf einem einfachen Materialkonzept.“ „Und sie wurden aus kommerziellen Polymeren hergestellt“, sagt Erstautorin Dr. Xiaojian Liao, Postdoktorandin für makromolekulare Chemie an der Universität Bayreuth.

„Wir sind davon überzeugt, dass unsere neuen Fasern für mehrere Anwendungsbereiche geeignet sind: zum Beispiel in den Bereichen Energiemanagement, batteriebetriebene Elektromobilität, Smart Textiles oder Luft- und Raumfahrt“, sagt Prof. Dr. Seema Agarwal, Professorin für Makromolekulare Chemie an der der Universität Bayreuth und einer der korrespondierenden Autoren dieser neuen Studie. Das interdisziplinäre Team der Universität Bayreuth mit Expertise in Keramik, Polymeren, Elektrospinnen, physikalischer Chemie und Elektronenmikroskopie hat diese Arbeit zum Erfolg geführt.

Mehr Informationen: Xiaojian Liao et al., Extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit nachhaltiger elektrogesponnener Kohlenstoffkeramik-Vliesstoffe, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade6066

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