Untersuchung und Methodenentwicklung zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit von Faserverbundkunststoffen

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1 Untersuchung und Methodenentwicklung zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit von Faserverbundkunststoffen Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Michael Heinz Elmar Glowania Berichter: Universitätsprofessor Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. T. Gries Universitätsprofessor Dr. L. Hes Tag der mündlichen Prüfung: 19. Dezember 2012

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3 Textiltechnik/Textile Technology herausgegeben von Univ. Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries Michael Heinz Elmar Glowania Untersuchung und Methodenentwicklung zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit von Faserverbundkunststoffen Shaker Verlag Aachen 2013

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2012) Copyright Shaker Verlag 2013 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University in den Jahren 2008 bis Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries danke ich für die fachliche Betreuung der Arbeit und die Übernahme des Referats. Herrn Univ.-Prof. Dr. Lubos Hes danke ich für die Übernahme des Koreferats und seine kritischen Anmerkungen, Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen für die Übernahme des Vorsitzes. Ich möchte mich bei meinen studentischen Hilfskräften zwischen 2008 und 2012, Herrn Sven Schneiders, Frau Kristina Simonis, Frau Johanne Hesselbach, Herrn Philipp Heitefuß und Herrn Stefan Hesseler recht herzlich bedanken, die mich bei der Durchführung zahlreicher Versuche tatkräftig unterstützten. Ebenfalls bedanken möchte ich mich bei den Kolleginnen und Kollegen des Bereiches Faserverbundwerkstoffe am Institut für Textiltechnik, den ich im letzten Jahr der Anfertigung dieser Arbeit geleitet habe. Die fachlichen Diskussionen und Anregungen haben zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Auch bedanken möchte ich mich bei den Studenten, die durch wissenschaftliche Arbeiten wichtige Beiträge zu dieser Arbeit geleistet haben. Mein besonderer Dank gilt meiner Familie und insbesondere meinen Eltern. Ohne Ihre Unterstützung und Ihren Rückhalt, während meines Studiums und meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter, hätte ich diesen Weg nicht beschreiten können. Danke, dass Ihr immer an mich geglaubt hat. Ich widme diese Arbeit meiner Mutter und meinem 2009 verstorbenen Vater. Aachen, im Januar 2013 Michael Glowania

6 Teile dieser Arbeit basieren auf den Ergebnissen der von mir betreuten studentischen Arbeiten. Eine bibliographische Auflistung ist am Ende des Literaturverzeichnisses angehängt.

7 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 Abkürzungsverzeichnis 4 2 Einleitung Hintergrund der Arbeit Motivation und Ziel der Arbeit Aufbau der Arbeit 14 3 Methodische Auswahl wärmeleitfähiger Faserverbundkunststoffe 16 4 Stand der Technik zur Wärmeübertragung in Faserverbundkunststoffen Allgemein Wärmeleitfähigkeit von Faserverbundkunststoffen Kohlenstofffasern Polymere Matrix Füllstoffe zur polymeren Matrix Nanotubes Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe Elektrische Leitfähigkeit Sandwich Prepreg Waben Multiaxialgelege Tufting 54 5 Wärmeübertragung Wärmeleitung Konvektion Strahlung Grenzflächenwiderstand Wärmeleitfähigkeit Messverfahren der Wärmeleitfähigkeit Wärmestrommessplatten-Methode - Axial heat flow method Laserflash-Verfahren Auswahl einer geeigneten Out-of-plane-Messmethode 67

8 II Inhaltsverzeichnis 5.7 Messdurchführung out of plane In-plane-Messmethode und Messdurchführung 72 6 Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen Materialuntersuchungen Epoxidharz Carbon Nanotubes Gemahlene Pech-basierte Kohlenstofffasern Untersuchungen an EP 135/137 und gemahlenen Pechbasierten Kohlenstofffasern Out-of-plane-Wärmeleitfähigkeit In-plane-Wärmeleitfähigkeit Viskositätsmessungen FVK mit gemahlenen Pech-basierten Kohlenstofffasern In-plane-Wärmeleitfähigkeit additivierter glasfaserverstärkter Kunststoffe In-plane-Wärmeleitfähigkeit additivierter kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe Out-of-plane-Wärmeleitfähigkeit additivierter glas- und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe Preis-Leistungsverhältnis gemahlener Pech-basierter Kohlenstofffasern Fazit Kupfer-Polytetrafluorethylen-Proben D-Gewebe Verarbeitung von Pech-basierten Kohlenstofffasern Friktionsspinnen Beschichtung Beschichtungsversuche Knoten- und Schlingenzugfestigkeit Vergleich der Knoten- und Schlingenzugfestigkeit Friktionsspinnen Garnbeschichtung Sandwich mit Pech-basierten Kohlenstofffasern Fazit 139

9 Inhaltsverzeichnis III 7 Suche nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen zu den Funktionen Morphologischer Kasten Fertigung von dreidimensionalen Preforms Geeignete Gesamtlösungen aus geeigneten Teillösungen mit Effektträgern Simulation und Thermographie Modell der Finite-Elemente-Methode Thermographie Methodische Entwicklung an einem Werkstoffbeispiel Wirtschaftliche Bewertung von wärmeleitfähigen FVK Zielkostenrechnung Einsparpotenzial von Leichtbaulösungen Berechnungshilfsmittel Werkstoffbeispiel Target-Costs-Werkstoffbeispiel Ausblick Galvanisierung Elektrische Leitfähigkeit Preforming mit metallischen Fasern Simulation Berechnungshilfsmittel Zusammenfassung Summary Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abbildungen Tabellen Literaturverzeichnis Betreute studentische Arbeiten 242 Anhang 244