Hamm, Alexander: Konzepte zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von Faserverbundkunststoffen

Abstract in German:

Im modernen Maschinen- und Anlagenbau werden vermehrt Faserverbundkunststoffe eingesetzt. Diese Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, aber auch generell niedrigere Wärmeleitfähigkeit (WLF) als die ersetzten traditionellen Metallwerkstoffe aus. Besonders kritisch ist die schlechte Wärmeleitung senkrecht zur Richtung der Verstärkungsfaser. Dies kann bei Bauteilen mit höherer thermischer Belastung, wie z.B. elektrischen Antrieben, zu einem Wärmestau und schließlich zum Versagen des Bauteils führen. Deshalb ist es ein zentrales Ziel der Bachelorarbeit die WLF von Faserverbundkunststoffen quer zur Faserrichtung zu erhöhen. Im Zuge dieser Arbeit wurden die theoretischen Grundlagen des Wärmetransports, insbesondere der Wärmeübertragung in Kunststoffen recherchiert. Die Werkstoffeigenschaften der Matrix, der anisotropen Kohlenstofffaser und des extrem anisotropen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs (CFK) als Versuchswerkstoff wurden analysiert. Nach der Betrachtung des Resin-Transfer-Moulding (RTM) als Herstellungsverfahren, konnten die Konzepte zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit schließlich erarbeitet werden. Eine Erhöhung der WLF durch die Zugabe von wärmeleitenden Füllstoffen zur isolierenden Matrix stellte sich dabei als vielversprechender praktischer Ansatz heraus. Zur Messung des Füllstoffeinflusses auf die Wärmeleitfähigkeit der flächigen Laminate, wurden verschiedene Messverfahren betrachtet. Das Plattengerät stellt hierbei das geeignetste Messverfahren zur Bestimmung der Wärmleitfähigkeit quer zur Faserrichtung des anisotropen Werkstoffs dar. Im Zuge einer mehrwertigen Bewertung wurden Bornitrid, Aluminium und Graphen als leistungsfähigste Füllstoffe zur experimentellen Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit ausgewählt. In den Messergebnissen der WLF zeigte sich eine Überlagerung mehrerer, die WLF beeinflussender Effekte. Dazu zählen der Faservolumengehalt, die Probendicke und der Füllstoff, mit Füllstoffvolumengehalt und Füllstoffwärmeleitfähigkeit. Bedingt durch den niedrigen Füllstoffanteil im RTM-Verfahren konnten keine signifikanten Erhöhungen der Wärmeleitfähigkeit durch Füllstoffe nachgewiesen werden. Bei der Prüfung der thermischen Ausdehnung und der mechanischen Eigenschaften zeigte sich die Auswirkung und Überlagerung des Faservolumengehalts und des Füllstoffeinflusses. Entsprechend der theoretischen Erwartung schwächte der Füllstoff die Zug- und Biegeeigenschaften der Faserverbundkunststoffe. Die größten Festigkeiten und Moduli wies dabei stets das reine CFK-Laminat ohne Füllstoff und mit dem größten Faservolumengehalt auf.