Nanofüllstoffe (Nanofiller) sind dispers verteilte Partikel mit mindestens einer Dimension im Nanometerbereich (typischerweise <100 nm), die in eine Matrix – meist polymer, seltener metallisch oder keramisch – eingebracht werden, um deren Eigenschaften gezielt zu modifizieren. Sie umfassen null-, ein- und zweidimensionale Systeme wie sphärische Nanopartikel (z.B. SiO₂, TiO₂), Nanoröhren (z.B. Kohlenstoff-Nanoröhren, CNTs) und nanoskalige Plättchen (z.B. Graphen, nanoverseilte Tone).

Die zentrale Wirkung von Nanofüllstoffen resultiert aus ihrer extrem hohen spezifischen Oberfläche und der damit einhergehenden Grenzflächenenergie. Dadurch lassen sich mechanische Eigenschaften (Steifigkeit, Festigkeit, Zähigkeit), thermische Leitfähigkeit, Barrierewirkung, Verschleißverhalten sowie elektrische und dielektrische Eigenschaften mit geringen Füllstoffgehalten signifikant beeinflussen. Kohlenstoffbasierte Nano-Füller wie CNTs, Graphen und Carbon Black ermöglichen darüber hinaus die Einstellung maßgeschneiderter elektrischer Leitfähigkeit bis hin zu perkolierenden Netzwerken.

Für die Werkstoffentwicklung sind die Dispergierbarkeit und die Grenzflächenhaftung zwischen Nanofüllstoff und Matrix entscheidend. Agglomeration führt zu Defekten und lokaler Spannungskonzentration. Oberflächenmodifikationen (z.B. Silanisierung, kovalente Funktionalisierung von CNTs oder Graphen) werden eingesetzt, um die Kompatibilität zur Matrix zu erhöhen und Lastübertragung sowie Langzeitstabilität zu verbessern.

Charakteristisch für Nanokomposite mit Nanofüllstoffen ist ein stark nichtlinearer Zusammenhang zwischen Füllgrad, Mikrostruktur und makroskopischer Eigenschaft. Daher sind multiskalige Modellierung, kombinierte strukturelle und chemische Analytik sowie prozessnahe Rheologie essenziell, um Struktur‑Eigenschafts‑Beziehungen zu verstehen und reproduzierbare Hochleistungswerkstoffe zu entwickeln.