CNT in Faserverbundwerkstoffen für Automobil und Luftfahrt. K. Hildebrandt, P. Mitschang, A. Hebestreit, M. Niemann, M. Schuck, S.

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1 CNT in Faserverbundwerkstoffen für Automobil und Luftfahrt K. Hildebrandt, P. Mitschang, A. Hebestreit, M. Niemann, M. Schuck, S. Hermasch

2 Gliederung 1.Ziel und Motivation 2.Materialien 3.Elektrische Eigenschaften / Lackierfähigkeit 4.Zusammenfassung 2

3 Applications Cross-sectional technologies Innovationsallianz Carbon Nanotubes Innovationen für Industrie und Gesellschaft CarboScale: Manufacturing Electronics CarboFilm CarboAktiv CarboFEM CarboTCF SWCNT Gas phase Thermoplastics MWCNT CarboFunk: Functionalization Liquid phase CarboDis: Dispersion Energy & Environment CarboElCh CarboKat CarboInk CarboFuel CarboPlate CarboPower CarboMembran Thermosets Mobility CNF Plasma Elastomers CarboShield CarboSlide CarboCar CarboRoad CarboAir CarboSpace Lightweight construction CarboProtekt CarboTube CarboElast CarboMetal CarboBau CarboSafe/CarboLifeCycle: Health, environment, safety 3

4 Ziele Elektrisch leitfähige FKV für die Automobil- und Luftfahrtindustrie Class-A Oberflächen Online-Lackierfähigkeit (Karosserie) Antistatische Funktionen Funktionsintegration (Luftfahrt) Erzielung der Leitfähigkeit durch leitfähige Füllstoffe Ziel: Füllstoffmenge gering halten CNTs weisen dabei erhebliches Potential als Füllstoffe auf 4

5 leitend antistatisch ESTA Motivation Elektrische Leitfähigkeit Elektrische Leitfähigkeit [S/m] Leiter Halbleiter Isolatoren Kupfer, Gold Aluminium, Eisen Germanium Silizium Graphit CNT Ruß gefüllte Polymere Diamant Polyamid Polycarbonat Polyethylen 5

6 Materialien Matrixmaterial: Technische Thermoplaste PA6, PA66 (beide teilkristallin), APEC (amorph) Hochleistungsthermoplaste PPS, PPA, PEEK (alle teilkristallin) Nanofüllstoffe: CNT-Gehalte: 0%, 1%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7% CNT Gehalt 0 % 1 % 3 % 4 % 5 % 6 % 7 % PA 6.6 X X X X X PA 6 X X X X APEC X X PPS X X X PEEK X X X PPA X X X 6

7 Elektrische Perkolation und Prüfprinzip der elektrischen Leitfähigkeit Spez. Volumenleitf. [S/m] Elektrometer (Keithley 2601A) Leiter EM-Abschirmung Antielektrostatik Isolator Perkolierte Füllstoffe Netzwerkbildung Isolierte Füllstoffe DIN EN ISO 3915 : 1999 I U t b d ;[ S / m] Perkolationsgrenze Füllstoffgehalt σ = Spezifische Volumenleitfähigkeit 7

8 Elektrische Leitfähigkeit [S/m] Elektrische Leitfähigkeiten der Polyamid-CNT-Compounds Erforderliche Mindestleitfähigkeit Ein CNT-Gehalt von 1 und 3 Gew.-% führt in PA 6.6 zu keiner messbaren elektrischen Leitfähigkeit Ein CNT-Gehalt von 3 Gew.-% in PA 6 führt zu keinem Perkolationsnetzwerk Generell ist die Leitfähigkeit in PA 6.6 verglichen mit PA 6 höher 8

9 Elektrische Leitfähigkeit [S/m] Elektrische Leitfähigkeiten der Polyamid-CNT-Composites Messungen an GF/PA-Composites Laminatdicke: 2,5 mm Jeweils nur eine PA/CNT-Folien auf Ober- und Unterseite Faservolumengehalt: V f = 48% Erforderliche Mindestleitfähigkeit Vormals nichtleitende Compounds sind verarbeitet zu elektrisch leitenden FKV Verglichen mit den Compounds nimmt die Leitfähigkeit generell zu Bei gleicher CNT-Konz. sind PA 6.6-Composites leitfähiger verglichen mit PA 6- Composites 9

10 Elektrische Leitfähigkeiten der APEC-CNT-Composites Ein CNT-Gehalt von 5 Gew.-% in APEC führt zu leitfähigen GF-Composites Gleicher Level der elektrischen Leitfähigkeiten wie die Polyamid-Composites 10

11 Oberflächenanalyse - Pulverbeschichtung von Probestreifen PA6 7% CNT 5% CNT 3% CNT ohne CNT 11

12 Oberflächenanalyse - Pulverbeschichtung von Probestreifen PA66 7% CNT 5% CNT 3% CNT 1% CNT ohne CNT 12

13 Oberflächenanalyse - Pulverbeschichtung von Probestreifen APEC 5% CNT ohne CNT PA6-, PA66-sowie APEC-Organobleche lassen sich elektrostatisch pulverbeschichten Die realisierten elektrischen Leitfähigkeiten von minimal 10-5 S/m genügen den Anforderungen an die Lackierfähigkeit 13

14 Elektrische Leitfähigkeiten von CNT-modifizierten HT-Thermoplasten 14

15 Elektrische Leitfähigkeiten von CNT-modifizierten HT-Thermoplasten 15

16 Geplante Arbeiten - Fertigung von Luftfahrtund Automobildemonstratoren Luftfahrtprofil mit elektrisch leitender, innerer Funktionsschicht Versuche mit variothermer Werkzeug- Temperierung (RocTool) und Umsetzung eines Demonstrators in Class-A auf Basis einer Smart-Serviceklappe Quelle: Daimler 16

17 Zusammenfassung Einsatz von CNT ermöglicht ausreichende elektrische Leitfähigkeit sowohl in Technischen- als auch in Hochleistungs- Thermoplaste Elektrostatische Lackierung der CNT-modifizierten Organobleche möglich Keine Class-A Qualität der Oberfläche durch Abzeichnungen der Gewebestruktur Variotherme Werkzeugtemperierung, intelligenter Laminataufbau 17

18 Danksagung Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenprogrammes Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft WING (03X0050A-F) finanziert und vom Projektträger Jülich, Deutschland (PTJ) verwaltet. Wir danken allen Projektpartnern sowie Herrn Florian Ranft (LKT Uni Erlangen-Nürnberg) für die gute Zusammenarbeit

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 19