Untersuchung und Methodenentwicklung zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit von Faserverbundkunststoffen Buchkatalog

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach FVK stetig gestiegen, welche die wachsenden thermischen Anforderungen erfüllen oder gar wärmeübertragenden Eigenschaften besitzen. Nach dem Stand der aktuellen Forschung konnte diesem Wunsch nur unzureichend entsprochen werden. Dies liegt an den begrenzten Möglichkeiten, die Wärmeleitfähigkeit von polymeren Matrixsystemen zu erhöhen und Pech-basierte Kohlenstofffasern mit sehr hoher axialer Wärmeleitung und gleichzeitig extrem hohem E-Modul zu verarbeiten. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Ummantelung von Pech-basierten Kohlenstofffasern mit thermoplastischen Polymeren die Knoten- sowie die Schlingenhöchstzugkraft in genormten Versuchen signifikant steigert. Das Friktionsspinnen ist für Fasern mit mittlerem bis hohem E-Modul geeignet. Für ultrahochmodulige Fasern ist die Beschichtung anzuwenden, welche die Kohlenstofffasern während des Prozesses weniger schädigt und damit bricht. Die Höchstzugkraft im Knotenzugversuch konnte für eine Mitsubishi K13D2U- Faser um den Faktor 175 gesteigert werden. Die Kombination der Mitsubishi K13D2U-Faser mit einer Glasfaser erzielt eine 280-fache Höchstzugkraft im Schlingenzugversuch. Der Festigkeitsanstieg ist so hoch, dass eine Verarbeitung mit industriellen Näh- und Tuftingverfahren möglich ist. Hierdurch können textile Strukturen gezielt in Dickenrichtung verstärkt und die Wärmeleitfähigkeit gesteigert werden. Eine niedrige Wärmeleitfähigkeit der polymeren Matrix bewirkt eine geringe Wärmeleitfähigkeit des FVK auch bei Einsatz von Pech-basierten Kohlenstofffasern. Die Additivierung der polymeren Matrix mit gemahlenen Pechbasierten Kohlenstofffasern steigert die Wärmeleitfähigkeit um mehr als das 30-fache. Mit steigendem Faseranteil erhöht sich die Viskosität der Matrix und lässt eine Harzinfusion aufgrund von Ausfilterungseffekten nicht mehr zu. Die Verarbeitung im Transferverfahren ermöglicht dennoch eine vollständige Tränkung von textilen Preforms. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Out-ofplane- und die In-plane-Wärmeleitfähigkeit signifikant ansteigen, wenn die polymere Matrix mit gemahlenen Pech-basierten Kohlenstofffasern additiviert wird. In Out-of-plane-Richtung kann die Wärmeleitfähigkeit um das Vierfache gesteigert werden. In der In-plane-Richtung liegt die Steigerung in den Versuchsreihen beim bis zu Sechsfachen. Verschiedene Effekte konnten identifiziert werden, welche für die Wärmeleitung und/oder Verteilung der Wärme in FVK-Bauteilen verantwortlich sind. Diese Bauteile sind in der Lage, Wärme in der In-plane-Richtung, der Out-ofplane-Richtung oder deren Kombination zu übertragen. Wärme kann daneben gezielt in ein FVK eingeleitet oder von diesem abgegeben werden. In einem morphologischen Kasten sind alle Ergebnisse zu diesen Effekten als Teillösungen übersichtlich dargestellt. Für eine individuelle Anwendung kann die Teillösungen zu einer Gesamtlösung kombiniert werden. Als Hilfestellung sind für drei identifizierten Effekte Gesamtlösungen zusammengestellt, deren Herausforderungen aufgeführt sowie die Vorteile dieser Lösungen erläutert. Als Einzellösung für eine Wärmeübertragung in der Out-of-plane-Richtung eines FVK-Bauteils wurde eine CFK-Sandwich-Variante entwickelt, die eine Wärmeleitfähigkeit von 26 Wm-1K-1 und damit 37-fach mehr als ein Standard- CFK-Bauteil, erzielt. Damit stößt diese FVK-Lösung mit ihrem Ergebnis in den Bereich der metallischen Leiter vor. Diese Erfindung ist als Patentanmeldung beim Deutsche Patent- und Markenamt, München, eingereicht [GG12]. Die Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit von FVK stellt derzeit noch eine hohe Hürde da. Eine Lösung zur Berechnung mittels einer Simulation wurde kurz aufgeführt. Dieses Hilfsmittel muss nachfolgend weiter verfeinert, vereinfacht und auf dreidimensionale Faserstrukturen erweitert werden. Die Thermographie bietet bereits heute eine schnelle und verhältnismäßig einfache Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von FVK-Bauteilen, verglichen mit stationären Messmethoden an kleinen Probekörpern. Diese Arbeit liefert für Wärmeübertragungsprobleme mit FVK einen zeit- und kostenreduzierten Lösungsweg mit Teil- oder Gesamtlösungen. Zahlreiche Einzel- sowie kombinierte Ergebnisse der durchgeführten FVK-Untersuchungen sind aufgeführt, um eigene und/oder erweiterte Untersuchungen anzuschließen zu können und eigene Schlussfolgerungen zu ziehen. Ob eine existierende Werkstofflösung, sei es eine metallische oder eine FVKbasierte, durch die in dieser Arbeit vorgestellten Materialkombinationen ergänzt oder ersetzt wird, entscheidet auch der Kunde. Den klar artikulierten Forderungen des Marktes stehen hohe Materialkosten für Pech-basierte Kohlenstofffasern gegenüber. Diese Arbeit ist in der Lage, die Materialkosten pro kg (Mehrkosten für Gewichtsreduktion) zu berechnen. Weitere Kalkulationen u. a. der Prozesskosten liefert dieser Forschungsbeitrag nicht. Anhand eines Werkstoffbeispieles wurde gezeigt, dass auf Basis dieser vereinfachten Kalkulation eine Wettbewerbsfähigkeit der vorgeschlagenen Werkstoffkombinationen für die Luft- und Raumfahrtbranche besteht. Der Kostendruck der Automobilbranche erfordert weitere Kostenreduktionen, z. B. durch Materialkombinationen mit günstigeren metallischen Fasern. Diese Untersuchungen müssen möglichste nahtlos an diese Arbeit angeschlossen werden.