Wärmeleitende Leichtbauteile mit Pech-basierten Kohlenstofffasern

Herstellungsschritte Sandwich mit Honeycomb-Struktur, Pech-basierte Kohlenstofffasern in Dickenrichtung und Decklagen

Herstellungsschritte Sandwich mit Honeycomb-Struktur, Pech-basierte Kohlenstofffasern in Dickenrichtung und Decklagen

Michael Glowania, Thomas Gries – Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University

Leichtbau ist ein Ansatz, den Energieverbrauch zu reduzieren und/oder die Nutzlast von Fahrzeugen, Flugzeugen und Raumfahrzeugen zu erhöhen. Verbundwerkstoffe, insbesondere die Faserverbundkunststoffe (FVK), bieten hohe Verhältnisse von Stefigkeit und Festigkeit zu Gewicht. FVK eröffnen dadurch die Möglichkeit, etablierte metallische Werkstoffe in der Konstruktion zu ersetzen und gleichzeitig signifkant Gewicht einzusparen.

In temperaturbeanspruchten Bereichen werden FVK lediglich eingeschränkt genutzt. Eine dauerhafte Temperaturbeständigkeit der polymeren Komponente ist bei Temperaturen bis max. 250 °C gegeben. Viele Polymere wie Thermoplaste erweichen schon bei deutlich gerin-geren Temperaturen oder die Polymere degradieren im Falle von Duroplasten.

Anwendungen in denen Wärme aktiv geleitet werden muss, wie z. B. bei Wärmetauschern, Gehäusen für elektronische Bauteile, werden derzeit nur eingeschränkt aus FVK hergestellt. Dies liegt daran, dass die Materialkombination aus Polymeren und Hochleistungsfasern im Vergleich zu Metallen nur eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Ein Grund ist in der isolierenden Wirkung der polymeren Komponente. In der Kombination der beiden Verbundwerkstoffe dominiert diese isolierende Wirkung. In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach FVK stetig gestiegen, welche die wachsenden thermischen Anforderungen erfüllen oder gar wärmeübertragenden Eigenschaften besitzen.

Präparierte Pech-basierte Kohlenstofffasern in Aluminium-Honeycomb und Messprobe aus fertigem Bauteil

Präparierte Pech-basierte Kohlenstofffasern in Aluminium-Honeycomb und Messprobe aus fertigem Bauteil

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.

Das Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University konnte verschiedene Effekte identifizieren, 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-of-plane-Richtung oder deren Kombination zu übertragen. Wärme kann daneben gezielt in ein FVK eingeleitet oder von diesem abgegeben werden. Am ITA wurde beispielsweise wurde eine Bauweise entwickelt, die mit einer Wärmeleitfähigkeit von 26 Wm-1K-1 durch die Bauteilwand eine 37-fach gesteigerte Leitfähigkeit verglichen mit einem Standard-FVK-Bauteil erreicht. Damit stößt diese FVK-Lösung mit ihrem Ergebnis in den Bereich der metallischen Leiter vor. Diese Erfindung ist bereits prämiert worden und als Patentanmeldung beim Deutsche Patent- und Markenamt, München, eingereicht.

Ob eine existierende Werkstofflösung, sei es eine metallische oder eine FVKbasierte ergänzt oder ersetzt wird, entscheidet auch der Nutzer. Den klar artikulierten Forderungen des Marktes stehen hohe Materialkosten für Pechbasierte Kohlenstofffasern gegenüber. Das ITA ist in der Lage, die Materialkosten pro kg (Mehrkosten für Gewichtsreduktion) zu berechnen sowie weitere Kalkulationen u. a. der Prozesskosten zu ergänzen.

 

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