title: Kohlenstofffaser-Epoxydharz-Verbunde mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit
Creators: name: Bard, Simon
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2021
Subjects: subject: Wärmeleitfähigkeit
subject: Kohlenstofffasern
subject: Faserverbundwerkstoffe
subject: Epoxidharz
subject: 620

description: 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.