ISBN 978-3-8439-2699-7

978-3-8439-2699-7, Reihe Ingenieurwissenschaften

Thomas Schuster
Einfluss von Carbon Nanotubes auf die funktionellen und strukturellen Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen

163 Seiten, Dissertation Universität der Bundeswehr München (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Carbon Nanotubes (CNTs) werden außergewöhnlich gute Eigenschaften nachgesagt. Diese reichen von extrem hohen Festigkeiten und Steifigkeiten bis hin zu enormen elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten. Um diese positiven Eigenschaften auf einen Faserverbundwerkstoff übertragen zu können, ist eine hohe CNT-Konzentration nötig. Die Herstellung derartiger Werkstoffe mit hohen Anteilen an CNTs war bislang jedoch nicht möglich. In dieser Arbeit wird nun ein Verfahren vorgestellt, diese Teilchen mit einem gezielten Grad an Vereinzelung in Polymere einzubringen und daraus kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) mit einem hohen Anteil CNTs (bis zu 2,0 Gew.-%) homogen und reproduzierbar herzustellen.

Die CNTs zeigen auch in höheren Konzentrationen nur einen geringen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Materials, wie etwa auf die Zugfestigkeit, die Steifigkeit, oder auf die scheinbare interlaminare Scherfestigkeit. Berechnungen bestätigen diese experimentellen Befunde. Diese sind klar auf die fehlende Ausrichtung und Streckung der Tubes, und die Verwendung von Ausgangsmaterialien mit bereits hervorragenden mechanischen Eigenschaften zurückzuführen.

Bei der Herstellung von CFK kommt es zur Anreicherung von Carbon Nanotubes zwischen den Faserlagen. Dies führt zur Bildung eines leitfähigen Netzwerks aus CNTs in diesen harzreichen Zwischenbereichen. Diese Netzwerke kontaktieren die ebenfalls elektrisch und thermisch leitfähigen Kohlenstofffaserlagen und führen somit senkrecht zu den Faserlagen zu einer Steigerung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit des Faserverbundwerkstoffs. Die elektrische Leitfähigkeit kann dabei um mehrere Größenordnungen verbessert werden, die thermische Leitfähigkeit um ca. 20 %.

Diese Steigerung ist noch zu gering um einen Einfluss auf einen simulierten Blitzschlag zu zeigen. Bei thermischer Belastung zeigen sich jedoch deutliche Verbesserungen, wie etwa ein verzögerter Entzündungszeitpunkt bei flächiger Bestrahlung mit dem Cone Calorimeter. Bei lokaler thermischer Belastung des Materials sinkt aufgrund der verbesserten Leitfähigkeit der Temperaturgradient im Material, verbunden mit den inneren Spannungen. Dadurch verringert sich die Delaminationsneigung des CFK Werkstoffs bei einer thermischen Belastung im Grenzbereich der Harzeinsatztemperatur erheblich.

Letztlich kann mit Hilfe von Carbon Nanotubes die Zuverlässigkeit von CFK Strukturbauteilen nach thermischer Belastung gesteigert werden.