CNT in Faserverbundwerkstoffen für Automobil und Luftfahrt K. Hildebrandt, P. Mitschang, A. Hebestreit, M. Niemann, M. Schuck, S. Hermasch
Gliederung 1.Ziel und Motivation 2.Materialien 3.Elektrische Eigenschaften / Lackierfähigkeit 4.Zusammenfassung 2
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
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
leitend antistatisch ESTA Motivation Elektrische Leitfähigkeit Elektrische Leitfähigkeit [S/m] Leiter Halbleiter Isolatoren 10 8 10 6 10 4 10 2 10 0 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14 10-16 Kupfer, Gold Aluminium, Eisen Germanium Silizium Graphit CNT Ruß gefüllte Polymere Diamant Polyamid Polycarbonat Polyethylen 5
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
Elektrische Perkolation und Prüfprinzip der elektrischen Leitfähigkeit Spez. Volumenleitf. [S/m] Elektrometer (Keithley 2601A) 10 8 10 2 10-4 10-9 Leiter EM-Abschirmung Antielektrostatik Isolator Perkolierte Füllstoffe Netzwerkbildung Isolierte Füllstoffe 10-16 DIN EN ISO 3915 : 1999 I U t b d ;[ S / m] Perkolationsgrenze Füllstoffgehalt σ = Spezifische Volumenleitfähigkeit 7
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
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
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
Oberflächenanalyse - Pulverbeschichtung von Probestreifen PA6 7% CNT 5% CNT 3% CNT ohne CNT 11
Oberflächenanalyse - Pulverbeschichtung von Probestreifen PA66 7% CNT 5% CNT 3% CNT 1% CNT ohne CNT 12
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
Elektrische Leitfähigkeiten von CNT-modifizierten HT-Thermoplasten 14
Elektrische Leitfähigkeiten von CNT-modifizierten HT-Thermoplasten 15
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
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
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. www.ivw.uni-kl.de www.inno-cnt.de 18
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 19