Kohlenstofffaser-Epoxydharz-Verbunde mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit

Titelangaben

Bard, Simon:
Kohlenstofffaser-Epoxydharz-Verbunde mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit.
Bayreuth , 2021 . - VI, 131 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005362

Volltext

Link zum Volltext (externe URL):

Abstract

Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffmatrix limitiert die Wärmeleitung in polymeren Faserverbundwerkstoffen. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Matrix kann dazu bei-tragen, die Wärme in einem Bauteil besser zu verteilen, thermische Spannungen zu reduzie-ren und damit die Lebensdauer zu erhöhen.
Obwohl die Wärmeleitfähigkeit von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eine wichtige Komponente zur Auslegung von Bauteilen ist, sind in der Literatur bisher einige we-sentliche Forschungsfragen offengeblieben. Erstens ist bisher ungeklärt, welchen Einfluss die Herstellungs¬temperatur und damit Morphologie der Fasern auf die transversale Wärmeleit-fähigkeit hat. Zweitens wurden in den letzten Jahren erste Ansätze zur Modifikation der Kunststoffmatrix mit leitfähigen Füllstoffen aufgezeigt, jedoch nicht systematisch untersucht. Drittens wurden bereits vor einigen Jahrzehnten Faserverbundwerkstoffe mit metallbe-schichteten Fasern untersucht; es wurden aber nur Faservolumengehalte von maximal 30 Vol.-% erreicht. Und viertens wurden die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien in der Literatur bisher nur oberflächlich betrachtet, sind jedoch für die konstruktive Auslegung und damit für den Transfer in die industriellen Anwendungen von Bedeutung.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die wesentlichen Einflussparameter auf die Wärme-leitfähigkeit von Faserverbundwerkstoffen, welche aus Kohlenstoff¬fasern und Epoxid¬harzen bestehen, zu analysieren.
Zunächst wird der Einfluss der Herstellungstemperatur der Fasern auf die Wärme¬leitfähigkeit untersucht. Es ist bereits bekannt, dass die Herstellungstemperatur zu einem Wachstum der graphitischen Lamellen führt. Auch ist bekannt, dass die Herstellungstemperatur Zugmodul und Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung beeinflusst. In dieser Arbeit kann jedoch erstmalig gezeigt werden, dass die erhöhte Herstellungstemperatur auch zu einem Anstieg der trans-versalen Wärmeleitfähigkeit führt.
Anschließend werden Faserverbundwerkstoffe mit einer graphitmodifizierten Epoxidharz-matrix untersucht. Hierbei kann eine deutliche Steigerung der Wärmeleitfähigkeit der Ver-bunde transversal zur Faser um 55 % als auch in Faserrichtung um 67 % erzielt werden. Fer-ner wird gezeigt, dass mit dem Einsatz von metallbeschichteten Fasern die transversale Wärmeleitfähigkeit des Faserverbunds auf das 5-fache und in Faserrichtung auf das 6,6-fache gesteigert werden kann.
Bisher wurden in der Literatur die mechanischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstof-fen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit meist vernachlässigt. Dabei sind diese für die Entwick-lung praktischer Anwendungen unerlässlich. Der Zusatz von Graphit zur Matrix führt zu einer Abnahme der Verbundfestigkeit, das Biegemodul hingegen steigt. Die bruchmechanischen Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz der graphitmodifizierten Matrix mit einem Anstieg der Bruchzähigkeit in Mode I, jedoch einen Abfall in Mode II, einhergeht. Der Einsatz der Me-tallbeschichtung führt zu einem signifikanten Abfall der Biegefestigkeit und des Biegemoduls.

Abstract in weiterer Sprache

Due to the low thermal conductivity of the polymer matrix, fiber reinforced polymers exhibit a low thermal conductivity compared to metals. By increasing the thermal conductivity and thereby decreasing thermal stresses in the part, an enhancement of its lifetime can be ex-pected.
Although the thermal conductivity of a component is crucial for the design, many details of the thermal conductivity of fiber reinforced polymers are not yet analysed and explained. The influence of the production temperature, which influences p. ex. the tensile modulus, on the transverse thermal conductivity remains unknown. In recent years, some researchers tried to increase the thermal conductivity by the modification of the matrix with filler. Yet their mechanical properties were not analysed. Also, metal-coated fibres are known for many years, but only rather low amounts of up to 30 vol.% of fiber were used, which is ex-pected to lead to weak mechanical performance.
The aim of the research is therefore to analyse the most important parameters which influ-ence the thermal conductivity of fiber reinforced parts transverse and in fiber direction and to establish their structure-property-relationships.
At first, the influence of the production temperature of the carbon fiber was evaluated. It is well known that with higher production temperature, the graphitic lamella in the fiber grow, which results in higher tensile modulus. In this work it could be shown for the first time that also the transverse thermal conductivity is dependent on the production temperature.
Furthermore, fiber reinforced polymers with graphite-modified matrix were produced. It was shown that the transverse thermal conductivity of the composite can be increased up to 55 % and the conductivity in fiber-direction up to 67 % compared to the composite with unmod-ified matrix and a comparable fiber volume content of 58 vol.%. Also, the use of the metal-coated fibres leads to a significant increase in the thermal conductivity up to 5-times in trans-verse and 6.6-times in fiber direction.
So far, the mechanical properties of the composites with increased thermal conductivity re-mained unexplored by most researchers, although they are crucial for the transfer to indus-try. The use of the graphite in the polymer matrix lead to a reduction of the flexural strength, but to an increase in the flexural modulus. The fracture toughness in Mode I was increased with lower amount of filler, the Mode II toughness significantly decreased. The composites with metal-coated fibres exhibited slightly lower flexural strength, but higher flexural modu-lus than those with uncoated carbon fibers.