DE102012109226A1

DE102012109226A1 - Vorrichtung zur Ableitung von Wärme

Info

Publication number: DE102012109226A1
Application number: DE102012109226.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Glowania; Thomas Gries
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-03
Also published as: WO2014049042A1; EP2900457A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen Wänden (2) aufweist, die eine Vielzahl von Zellen (4) ausbilden, wobei zumindest ein Teil der Zellen (4) einen nichtmetallischen thermisch leitfähigen Kern (6) aufweist, wobei der Kern (6) eine Vielzahl von thermisch leitfähigen Pech-basierten Kohlenstofffasern enthält, die eine polymere Ummantelung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, die durch eine Vielzahl von miteinander verbundenen Wänden ausbildet wird, die eine Vielzahl von Zellen definieren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Wabenkonstruktion und eine Verbundkonstruktion in Sandwichbauweise.
Allgemein besteht ein Bedarf nach Bauteilen mit höherer Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise werden thermisch leitfähige Wabenstrukturen zur Wärmeableitung von Bauteilen insbesondere in der Flugzeugtechnik verwendet. So offenbart die Schrift US 5288537 eine Wabenstruktur, deren Zellwände Fasern mit geringer Wärmeleitfähigkeit und hochleitfähige Kohlenstofffasern auf Pechbasis, die in ausgewählten Richtungen orientiert sind, enthalten. Diese ermöglichen eine kontrollierte und gerichtete Wärmeübertragung durch die Waben. Die Wärmeleitfähigkeit der Wabenkonstruktion bedarf jedoch weiterhin der Verbesserung. Ferner lassen sich Pech-basierte Kohlenstofffasern nur stark eingeschränkt verarbeiten. So besitzen hochleitfähige Kohlenstofffasern auf Pechbasis ein hohes Elastizitätsmodul, abgekürzt E-Modul, und das Einarbeiten der brüchigen, hochleitfähigen Fasern in die Wandstrukturen führt zu Schädigungen in Form von Filamentbrüchen. Hierunter leiden die strukturellen und thermischen Eigenschaften des Werkstoffs, die Wärmekapazität der Wabenstruktur wird erhöht und die Wärmeübertragung entsprechend herabgesetzt.
Insbesondere die Wärmeleitung zur Abfuhr von Wärmeenergie bzw. zur Reduzierung der Bauteilwärme und -belastung in Dickenrichtung ist weiterhin zu gering. So kann die Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen nicht in den in der Luftfahrt geforderten Bereich von ca. 10 W/mK gebracht werden. Derzeit überhitzen Bauteile beispielsweise der Heckausleger von Hubschraubern durch gesteigerte Turbinenleistungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, eine Vorrichtung mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen Wänden aufweist, die eine Vielzahl von Zellen ausbilden, wobei zumindest ein Teil der Zellen einen nichtmetallischen thermisch leitfähigen Kern aufweist, wobei der Kern eine Vielzahl von thermisch leitfähigen Pech-basierten Kohlenstofffasern enthält, die eine polymere Ummantelung aufweisen.
Weitere Gegenstände der Erfindung betreffen eine Verbundkonstruktion in Schichtstruktur, insbesondere ein so genanntes Sandwich-Leichtbauteil, enthaltend eine derartige Vorrichtung sowie wenigstens eine Deckschicht und ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Ableitung von Wärme. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Zellen einen thermisch leitfähigen Kern enthalten. Die Vorrichtung kann vollständig mit Zellen ausgebildet sein, die je einen thermisch leitfähigen Kern enthalten, oder sowohl nicht gefüllte wie auch mit Kernen gefüllte Zellen aufweisen. Durch eine Verwendung von thermisch leitfähigen Pech-basierten Kohlenstofffasern, die mit einem Polymer ummantelt sind, kann eine außerordentlich große Steigerung der Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung erzielt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Vorrichtung wabenförmig ausgestaltet, wobei die Vielzahl von miteinander verbundenen Wänden eine Vielzahl von Wabenzellen ausbildet. Vorzugsweise ist die Vorrichtung eine thermisch leitfähige Wabenstruktur.
Die Vorrichtung umfassend eine Vielzahl von miteinander verbundenen Wänden, die eine Vielzahl von Zellen ausbilden, welche insbesondere als Haltevorrichtung für den nichtmetallischen thermisch leitfähigen Kern dienen. Eine solche Stützwirkung kann ebenfalls von einer anderen Struktur wie einem Textil, beispielsweise einem Abstandstextil, zur Verfügung gestellt werden.
Bevorzugt sind Wabenstrukturen. Diese sind zur standardisierten Herstellung von Sandwichplatten mit Wabenkern bekannt und kommerziell erhältlich. Leichtbauplatten mit Wabenstruktur können nach bekannten Verfahren gefertigt werden, beispielsweise dem so genannten Expansionsverfahren, das beispielsweise für Waben aus Polyamidpapier verwendet wird, oder dem Profilierverfahren, das zur Herstellung von Wabenstrukturen mit größerer Festigkeit wie Aluminium eingesetzt wird. Beide Materialien werden als von einer Rolle ablaufendes Bandmaterial zu einer Wabenstruktur verarbeitet.
Die Vorrichtung kann jedoch auch eine andere als eine wabenförmige Geometrie aufweisen, und beispielsweise runde oder eckige Zellen ausbilden. Ebenso kann der nichtmetallische thermisch leitfähige Kern verschiedene Geometrie aufweisen, und beispielsweise hexagonale, rechteckige oder quadratische oder kreisförmige Querschnitte aufweisen. In vorteilhafter Weise passen sich auch runde Querschnitte der Kerne sich sehr gut den Sechsecken einer Wabenstruktur an. Eine direkte Fertigung in Form der Waben- oder Strukturgeometrie ist somit mit einfachen Hilfsmitteln möglich.
Unter dem Begriff ”Kohlenstofffasern” sind im Sinne der vorliegenden Erfindung industriell hergestellte Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien zu verstehen. Unter dem Begriff ”Pech-basierte Kohlenstofffasern” sind entsprechend Kohlenstofffasern zu verstehen, für die Pech als Ausgangsstoff dient. Die Verwendung von Pech als Ausgangsstoff erlaubt insbesondere die Herstellung von Fasern mit hoher Steifigkeit.
Vorzugsweise sind die Pech-basierten Kohlenstofffasern hochsteife (HM, High Modulus) Fasern oder ultra hochsteife (UHM, Ultra High Modulus) Fasern. Diese Fasern besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise im Bereich von 120 W/mK bis 1200 W/mK, vorzugsweise im Bereich von 320 W/mK bis 1200 W/mK, bevorzugt im Bereich von 500 W/mK bis 1200 W/mK. Es stehen verschiedene Pech-basierte Kohlenstofffasern zur Verfügung. Verwendbar sind im Handel erhältliche Kohlenstofffasern auf Pechbasis, beispielsweise erhältlich von Mitsubishi Plastics Incorporation unter der Bezeichnung K13D2U und K13C2U oder erhältlich von Nippon Graphite Fiber Corporation unter der Bezeichnung YS-90A und XN-90. Diese besitzen eine Wärmeleitfähigkeit oberhalb von 500 W/mK.
Die Zellen weisen eine Längsrichtung (L), die sich relativ zu den Wänden quer erstreckt, und eine Dickenrichtung (T) auf, die sich relativ zu den Wänden parallel erstreckt. Geeigneter Weise sind die thermisch leitfähigen Pech-basierten Kohlenstofffasern derart ausgerichtet, dass durch die Fasern eine gerichtete Wärmeübertragung durch die Vorrichtung ermöglicht wird. Eine derartige richtungsmäßig gesteuerte Wärmeleitung durch die Vorrichtung hindurch kann durch eine unidirektionale Ausrichtung der Fasern parallel zu bzw. in Dickenrichtung der Struktur, erreicht werden. Vorzugsweise sind die Fasern im Wesentlichen in Dickenrichtung der Zellen ausgerichtet. Es ist vorteilhaft, wenn möglichst viele Fasern in Dickenrichtung ausgerichtet sind. Wenn die thermisch leitfähigen Fasern parallel zur Dickenrichtung der Zellen ausgerichtet sind, kann eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung zur Verfügung gestellt werden. Zudem ist es vorteilhaft, wenn das Materialverhalten anisotrop, mit einer Betonung in axialer Richtung ist. Der Wärmestrom wird hierdurch stärker geleitet und Verluste in radialer Richtung (in plane) werden gering gehalten.
Der Begriff „im wesentlichen” bedeutet diesbezüglich im Sinne der Erfindung insbesondere, dass die Fasern weitgehend parallel zur Dickenrichtung der Zellen ausgerichtet sind. Der Winkel der Ausrichtung kann variieren. Vorzugsweise ist die Ausrichtung in Dickenrichtung so beschaffen, dass der Leitungsweg keine nennenswerte Verlängerung erfährt. Dies minimiert eine Abnahme der Wärmeleitfähigkeit.
Zur Verarbeitung werden einzelne Kohlenstofffasern oder Filamente üblicher Weise zusammengefasst als sogenannte Rovings (dt. Faserbündel oder Faserstränge) verwendet. Diese bilden üblicherweise Bündel von endlosen, unverdrehten, gestreckten Einzelfasern (Filamenten) aus. Gängig sind beispielsweise die Typen 1K, 3K, 6K, 12K, 24K, 48 bzw. 50K, oder 80K, wobei 1K bedeutet, dass 1000 Filamente zu einem Strang zusammengefasst sind.
Bevorzugt werden in Form von Rovings zusammengefasste Pech-basierte Kohlenstofffasern verwendet. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Fasern daher in Form von Faserbündeln angeordnet. Vor der Füllung der Zellen, insbesondere der Wabenzellen, mit den Fasern, vorzugsweise Faserbündeln, werden diese vorzugsweise weiter gebündelt und/oder kompaktiert. Diese Bündelung kann durch die Ummantelung zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise aus unidirektional ausgerichteten Fasern eine mechanisch auf Biege-, Zug- und Druckkräfte belastbare Struktur herstellen.
In bevorzugten Ausführungsformen weisen nur die äußeren Fasern oder Faserbündel eine Ummantelung auf. Es ist insbesondere bevorzugt, dass kein Polymer in die Zwischenräume zwischen die Rovings oder Fasern eindringt. Da die Polymere eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, kann hierdurch eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit durch das Polymer weitgehend vermieden und der Wärmestrom kanalisiert werden.
Weiterhin kann eine Ummantelung um die äußeren Rovings oder Filamente die Faser(n) stützen. Die Ummantelung kann so eine ausreichende Stabilisierung der sehr brüchigen Pech-basierten Kohlenstofffasern zur Verfügung stellen. Diese können hierdurch eine Steigerung in der Knotenfestigkeit nach DIN 53842 von mehr als 70% der ohne Beschichtung erzielbaren Knotenfestigkeit erzielen. Wenn die Fasern in einer Polymermatrix umfasst sind, kann ein guter Schutz vor Faserbruch gewährleistet werden. Dadurch, dass die geschützten Fasern in das Innere der Zellen, insbesondere Wabenzellen, eingebracht werden, kann in diesem Fall ferner die etablierte Bauweise für Wabenstrukturen genutzt werden. Dies ermöglicht eine kostengünstige Fertigung.
In bevorzugten Ausführungsformen kann die polymere Ummantelung der Fasern oder Faserbündel durch einen thermoplastischen Schrumpfschlauch, eine Folienummantelung, eine thermoplastische, duroplastische oder elastomere Beschichtung, oder eine beispielsweise mittels Friktionsspinnen aufbringbare thermoplastische Ummantelung ausgebildet sein.
Beispielsweise können die Fasern oder Faserbündel der Pech-basierten Kohlenstofffasern in einem thermoplastischen Schrumpfschlauch oder durch eine Folienummantelung kompaktiert sein. So kann die Ummantelung der Fasern nicht nur einen Schutz vor Faserbruch gewährleisten, sondern auch dazu dienen, das Material möglichst weit zu kompaktieren. Hierbei sind vorzugsweise keine oder fast keine Lufteinschlüsse vorhanden.
Weiter können die Fasern oder Faserbündel der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einem thermoplastischen, duroplastischen oder elastomeren Polymer beschichtet sein. Eine solche Beschichtung ermöglicht ein vereinfachtes insbesondere automatisiertes Handling der Fasern.
Eine Ummantelung mit Polymer kann auch dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass die Pechfasern in eine stabile, also beispielsweise aushärtende Struktur eingebracht werden können.
Thermisch leitfähige Wabenstrukturen sind beispielsweise in Heckauslegern von Hubschraubern zur Wärmeableitung verwendbar, um das Bauteil vor Überhitzung durch gesteigerte Turbinenleistung zu schützen. Das zur Stabilisierung der brüchigen Pech-basierten Kohlenstofffasern verwendbare Polymer sollte daher beständig gegenüber den Bauteil-Temperaturen sein. Vorzugsweise ist das Polymer beständig bis zu einer Temperatur von 180°C, bevorzugt bis 160°C.
Ein thermoplastisches Polymer kann ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Polyethersulfon (PES), Polyetherimid (PEI), Polysulfon (PSF), Polyamidimid (PAI), Polyimid (PI), Polyphenylensulfid (PPS), aromatische Polyester (PER) und/oder Polyetherketone (PEK) insbesondere Polyaryletherketone (PAEK) und Polyetheretherketon (PEEK). Bevorzugt sind Polyetheretherketon und Polyphenylensulfid. Ein duroplastisches Polymer kann ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend Epoxide, Phenole, Polyurethane, Polyester und/oder Aminoplaste. Bevorzugt sind Epoxide und Phenolharze.
Weiter können die Fasern oder Faserbündel der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einer thermoplastischen Ummantelung umhüllt sein, die mittels Friktionsspinnen aufgebracht wurde. Auch hier liegen die Vorteile in einer einfach zu realisierenden Automatisierung und einer kontinuierlichen Verarbeitung.
Es kann vorgesehen sein, dass das Polymer zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit gemahlene Kohlenstofffasern oder Kurzschnittkohlenstofffasern, insbesondere Pech-basierte Fasern, enthält. Vorzugsweise weist das Polymer einen Gehalt im Bereich von 40 Gew.-% bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Fasern und Polymer, an gemahlenen Fasern auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wände der Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, insbesondere einer Wabenstruktur, aus einem Material ausgebildet sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Aramid, Papier, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer und/oder Edelstahl. Es kann vorgesehen sein, dass die Wände aus Leichtmetallen wie Aluminium oder Aluminiumlegierungen oder aus Kupfer ausgebildet sind. Mit aus Metall ausgebildeten Wänden lassen sich noch höhere Wärmeleitfähigkeitswerte erzielen, da diese in diesem Fall ebenfalls leiten. Mit Aluminium lassen sich sehr dünne und leichte Strukturen erzielen. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik kommt Aluminium daher häufig zum Einsatz.
Alternativ können Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, insbesondere Wabenstrukturen, zur Verfügung gestellt werden, die keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Vorzugsweise sind die Wände ausgebildet aus einem nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere Aramid. Vorrichtung insbesondere Waben ausgebildet aus nichtmetallischen Werkstoffen wie Aramid stellen sehr leichtgewichtige Waben zur Verfügung, wodurch sich ein signifikanter Gewichtsvorteil ergibt. Hierdurch ergibt sich ein hohes Leichtbaupotential der Struktur.
Unter dem Begriff „Aramid” werden im Sinne der vorliegenden Erfindung aromatische Polyamide (Polyaramide) verstanden, insbesondere langkettige synthetische Polyamide, wobei mindestens 85% der Amidgruppen direkt an zwei aromatische Ringe gebunden sind. Aramide können para- oder meta-Struktur, bezogen auf die Position der Carboxyl- und Amingruppen am Monomerring, aufweisen. Aramid-Strukturen verfügen über gute Feuchtigkeits- und Hitzebeständigkeit und werden als schwer entflammbar bzw. selbstverlöschend eingestuft. Darüber hinaus weisen diese eine hohe Schlag-, Vibrations- und Ermüdungsbeständigkeit sowie Druckfestigkeit auf. Die Wärmeleitfähigkeit von Aramid ist mit ca. 0,13 W/mK verglichen mit Aluminium (221 W/mK) gering. Der Vorteil von Aramid liegt vor allem in der mit 0,024–0,144 g/cm³ deutlich geringeren Dichte. Aramid bildet insbesondere sehr leichtgewichtige Waben aus. Aramid ist beispielsweise unter den Handelsnamen Nomex^® und Kevlar^® erhältlich. Nichtmetallische, leichtgewichtige Aramid-Waben aus Nomex^®- oder Kevlar^®-Papier sind bevorzugt. Diese können mit hitzebeständigem Phenolharz, entsprechend den strengen Anforderungen der Luftfahrt, beschichtet sein.
Die Wärmeleitfähigkeit einer Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, insbesondere einer Wabenstruktur, deren Zellen einen Kern von Pech-basierten Kohlenstofffasern aufweisen, kann im Bereich von ≥ 3 W/mK bis ≤ 40 W/mK, vorzugsweise im Bereich von ≥ 15 W/mK bis ≤ 35 W/mK, bevorzugt im Bereich von ≥ 20 W/mK bis ≤ 30 W/mK, liegen. Beispielsweise konnte festgestellt werden, dass eine mit Pech-basierten Kohlenstofffasern gefüllte Aramidwabe eine out-of-plane Wärmeleitfähigkeit von 26 W/mK, gemessen nach ASTM Standard E 1225-04, aufwies.
Insgesamt kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, insbesondere Wabenstruktur, eine außerordentlich gute Wärmeleitung mit einem sehr geringen spezifischen Gewicht und der gleichzeitigen Möglichkeit, die etablierte Bauweise der Luft- und Raumfahrt beizubehalten, zur Verfügung stellen. Die Vorrichtung weist ferner gute mechanische Eigenschaften auf.
Die Kerne können entweder maßgelenkt oder endlos in die Zellen eingebracht und anschließend auf Maß gekürzt werden. Dies erlaubt, gezielt Zellen zu füllen oder frei zu lassen. Die Vorrichtung kann somit vollständig mit gefüllten Zellen ausgebildet sein, oder sowohl nicht gefüllte wie auch gefüllte Zellen aufweisen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere eine Wabenstruktur, kann zur standardisierten Sandwichherstellung mit Decklagen oder -schichten, beispielsweise aus Prepregmaterial, verwendet werden oder bereits in dieser Form ohne Decklagen als out-of-plane Wärmeleiter genutzt werden. Ist die Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, insbesondere Wabenstruktur, in eine Verbundkonstruktion in Schichtstruktur, insbesondere in der so genannten Sandwichbauweise in ein so genanntes Sandwich-Bauteil verbaut, kann, durch eine Kombination mit einer oder zwei Decklagen pro Wabenstruktur, die Wärme auch in der Ebene (in plane) der Konstruktion bzw. in diese hinein geleitet oder verteilt werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft entsprechend eine Verbundkonstruktion in Schichtstruktur bzw. in Sandwichbauweise, insbesondere ein so genanntes Sandwich-Leichtbauteil, enthaltend eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, insbesondere eine Wabenstruktur, und wenigstens eine Deckschicht. Die Schichtstruktur ermöglicht eine kontrollierte und gerichtete Wärmeübertragung durch die Verbundkonstruktion. Die Verbundkonstruktion kann wenigstens eine oder mehrere Deckschichten aufweisen. Die Begriffe „Deckschicht” oder „Decklage” werden vorliegend synonym verwendet. Wenigstens eine Decklage aufgebracht auf eine Ebene der Wabenkonstruktion ermöglicht den Aufbau einer Verbundkonstruktion in Schichtstruktur in üblicher Sandwichbauweise. Mehrere Decklagen können aufeinander angebracht sein, oder die Vorrichtung, insbesondere die Wabenstruktur, kann auf Ober- und Unterseite eine Decklage aufweisen. Hierdurch kann eine einzelne Vorrichtung insbesondere Wabenschicht zwischen zwei Decklagen zur Wärmeableitung verwendet werden. In vorteilhafter Weise kann die Verbundkonstruktion Wärme in Dickenrichtung (out-of-plane) wie auch in der Ebene (in plane) ableiten bzw. verteilen.
Die Decklage kann eine textile Decklage sein, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Gewebe, Gelege, Unidirektional, Vlies, Geflecht, Tape, Breitware und/oder Prepreg. Bevorzugt ist eine Decklage ausgebildet aus Glas-, Carbon-, Aramid- und/oder Basalt-Fasern, insbesondere aus den auch als Hochleistungsfasern bezeichneten Glas-, Carbon- und Aramid-Fasern. Diese können die jeweils benötigte Bauteilfestigkeit oder Strukturgebung zur Verfügung stellen.
Weiterhin kann auf die Vorrichtung, insbesondere Wabe, eine Harzschicht aufgebracht werden. Diese kann die Anbindung an eine Decklage erhöhen, die Struktur weiter versteifen und/oder für eine homogene Oberfläche sorgen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass auf die Vorrichtung insbesondere Wabenstruktur lediglich eine Harzschicht aufgebracht ist, die als Decklage dienen kann. Der Harzschicht können Füllstoffe wie gemahlene Kohlenstoff-Fasern, insbesondere Pech-basierte Fasern, hinzugefügt werden. Dies steigert die Wärmeleitfähigkeit des Polymers bzw. der Deckschicht. Beispielsweise kann das Harz im Bereich von ≥ 1 Gew.-% bis ≤ 60 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von ≥ 20 Gew.-% bis ≤ 50 Gew.-%, beispielsweise einen Gehalt von 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Harz und Fasern, gemahlene Kohlenstofffasern und Kurzschnitt aufweisen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Pech-basierten Kohlenstofffasern länger sind als die Dicke der Wabe. Dies ermöglicht, dass die Faserenden der Pech-basierten Kohlenstofffasern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in eine oder beide Deckschichten hineinragen.
Längere als in Zellen- oder Wabenhöhe präparierte Fasern ermöglichen die Einbindung in eine oder beide Decklagen. Dies stellt eine durchgehende Verbindung der Sandwichfüllung mit den Decklagen zur Verfügung. Hierdurch kann einer Delamination der Decklagen von der Kernstruktur entgegengewirkt werden. Eine Delamination der Decklagen von den dazwischen liegenden Zellen oder Waben stellt die häufigste Versagensform von Sandwichstrukturen dar. Weiterhin können die Fasern die Wärme verteilen, sofern sie in der Decklage in in-plane Richtung umgelenkt werden. Diese Ausführungsform ermöglicht eine fächerartige Aufnahme der Wärme auf einer Sandwichseite, die Leitung durch den Kern und anschließend die fächerartige Verteilung auf der zweiten Sandwichseite bei gleichzeitig hohen mechanischen Eigenschaften und einem geringen spezifischen Gewicht.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer Vorrichtung, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen Wänden aufweist, die eine Vielzahl von Zellen ausbilden,
b) Bereitstellen Pech-basierter Kohlenstofffasern,
c) Ausbilden nichtmetallischer thermisch leitfähiger Kerne, die eine Vielzahl von thermisch leitfähigen Pech-basierten Kohlenstofffasern aufweisen, durch Ummanteln der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einem Polymer, und
d) Einbringen der Kerne in zumindest einen Teil der Zellen der Vorrichtung.

Bevorzugt ist ein Verfahren zur Herstellung einer thermisch leitfähigen Wabenstruktur, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer Wabenstruktur, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen Wänden aufweist, die eine Vielzahl von Wabenzellen ausbilden,
b) Bereitstellen Pech-basierter Kohlenstofffasern,
c) Ausbilden nichtmetallischer thermisch leitfähiger Kerne, die eine Vielzahl von thermisch leitfähigen Pech-basierten Kohlenstofffasern aufweisen, durch Ummanteln der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einem Polymer, und
d) Einbringen der Kerne in zumindest einen Teil der Wabenzellen der Wabenstruktur.

Das Füllen der oder zumindest eines Teils der Zellen mit Kernen enthaltend Pech-basierte Kohlenstofffasern kann eine sehr hohe Wärmeleitung in Dickenrichtung zur Verfügung stellen.
Vor der Füllung der Zellen mit Pech-basierten Kohlenstofffasern, insbesondere Faserbündeln vorzugsweise von high modulus (HM) oder ultra high modulus (UHM) Fasern, werden diese in einem ersten Schritt vorzugsweise gebündelt. Hierbei wird der nichtmetallische thermisch leitfähige Kern, der eine Vielzahl von thermisch leitfähigen Pech-basierten Kohlenstofffasern aufweist, durch Ummanteln der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einem Polymer ausgebildet. Die Bündelung kann beispielsweise mit einem Schrumpfschlauch, einer Polymerfolie, einer Beschichtung oder durch Friktionsspinnen realisiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass man die Fasern oder Faserbündel der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einem Schrumpfschlauch oder einer Polymerfolie ummantelt. Beim Schrumpfschlauchverfahren werden die Faserbündel in einen thermoplastischen Schrumpfschlauch eingeführt. Anschließend wird der Schlauch mittels Heißluft geschrumpft. Infolgedessen werden die einzelnen Rovings innerhalb des Schrumpfschlauches kompaktiert. Die Ummantelung der Fasern kann nicht nur einen Schutz vor Faserbruch gewährleisten, sondern auch dazu dienen, das Material möglichst weit zu kompaktieren. Vorzugsweise entstehen hierbei keine oder fast keine Lufteinschlüsse.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass man die Fasern oder Faserbündel der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einem thermoplastischen, duroplastischen oder elastomeren Polymer beschichtet. Bei der Beschichtung werden einzelne oder mehrere Rovings, ähnlich dem Pultrusionsverfahren, mit einem Thermoplast oder Duroplast beschichtet. Hier ist es vorteilhaft, kein Polymer in die Filamentzwischenräume eindringen zu lassen, da dieses die axiale Wärmeleitung schwächt. Idealist ein um die äußeren Filamente aufgetragener Polymerfilm, der die Faser(n) stützt. Hierdurch kann eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit durch das Polymer weitgehend vermieden werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass man die Fasern oder Faserbündel der Pech-basierten Kohlenstofffasern mittels Friktionsspinnen mit einem thermoplastischen Polymer ummantelt. Das Friktionsspinnverfahren windet Kurzschnitt-Thermoplastfasern um die Fasern herum. Nach dem Umwinden werden die Kurzfasern mit Heißluft oder mit einem alternativen Wärmeeintrag aufgeschmolzen. Es bildet sich, wie bei den weiteren bevorzugten Verfahren, ein polymerer Mantel um den Kern aus Pech-basierten Kohlenstofffasern.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass man das Ummanteln der Pech-basierten Kohlenstofffasern dadurch ausbildet, dass man die Pechfasern in eine aushärtende Polymerstruktur einbringt. Dies hat den Vorteil, dass man die Pechfasern in eine stabile Struktur einbringt.
Die durch die alternativen Verfahren der Ausbildung des Kerns erhältlichen symbolisierten Materialquerschnitte der präparierten UHM-Fasern sind dem Prinzip nach identisch. Die Vorteile bei der Beschichtung und dem Friktionsspinnen liegen in einer einfach zu realisierenden Automatisierung und einer kontinuierlichen Verarbeitung. Bei Verwendung eines Schrumpfschlauchs ist, insbesondere aufgrund der Brüchigkeit von UHM-Fasern, eine Verarbeitung von Längen im Bereich von 200 mm bis 300 mm bevorzugt.
Nach der Präparation können die Hybridmaterialien entweder maßgelenkt oder endlos in die Zellen, insbesondere Wabenzellen, eingebracht und erst anschließend auf Maß gekürzt werden. Diese Methode erlaubt es, gezielt Zellen zu füllen oder frei zu lassen. Die modifizierte Struktur kann derart zur standardisierten Sandwichherstellung mit Decklagen, beispielsweise aus Prepregmaterial, genutzt werden oder bereits in dieser Form als out-of-plane Wärmeleiter genutzt werden. Alternativ kann auf die Vorrichtung, insbesondere Wabe, eine Harzschicht aufgebracht werden, welche die Anbindung an die Decklagen erhöht, die Struktur weiter versteift und/oder für eine homogene Oberfläche sorgt. Dieser Harzschicht können Füllstoffe, wie gemahlene Pech-basierte Kohlenstofffasern, hinzugefügt werden, um die Wärmeleitfähigkeit des Polymers zu steigern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass man die Faserenden der Pech-basierten Kohlenstofffasern in eine oder mehrere Deckschichten zur Ausbildung einer Verbundkonstruktion einbringt.
Diese weitere Option des Verfahrens stellt eine durchgehende Verbindung der Sandwichfüllung mit den Decklagen dar. Längere als die Zellenhöhe präparierte Fasern ermöglichen die Einbindung in eine oder beide Decklagen. Hierdurch kann einer Delamination der Decklagen von der Kernstruktur entgegengewirkt werden – der häufigsten Versagensform von Sandwichstrukturen. Weiterhin können die UHM-Fasern die Wärme verteilen, sofern sie in der Decklage in in-plane Richtung umgelenkt werden. Die vorgestellte Lösung ermöglicht eine fächerartige Aufnahme der Wärme auf einer Sandwichseite, die Leitung durch den Kern und anschließend die fächerartige Verteilung auf der zweiten Sandwichseite bei gleichzeitig hohen mechanischen Eigenschaften und einem geringen spezifischen Gewicht.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, insbesondere einer thermisch leitfähigen Wabenstruktur, oder einer Verbundkonstruktion in Schichtstruktur zur Wärmeableitung von Bauteilen insbesondere in der Luft- und Raumfahrt oder Fahrzeugtechnik. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, insbesondere thermisch leitfähige Wabenstruktur, oder die Verbundkonstruktion sind grundsätzlich universell einsetzbar. Beispielsweise können in der Luft- und Raumfahrt Metallbeuteile ersetzt werden, wodurch sich ein signifikanter Gewichtsvorteil ergibt. Bevorzugte Verwendungen ergeben sich insbesondere in Heckauslegern von Hubschraubern, Felgen und Bremsen von Automobilen, Leuchtdioden (LEDs), Satellitenstrukturen oder Elektrofahrzeugen mit Komponenten aus Faserverbundwerkstoff. Insbesondere auch Elektrofahrzeuge, die mit kleineren Verbrennungsmotoren inklusive Abgasführung ausgerüstet werden, können von einer Wärmeableitung mittels der erfindungsgemäßen Wabenstrukturen bzw. Verbundkonstruktion profitieren. Ebenso können Automobile im Bereich der Bremse inklusive der Felgen hiervon profitieren, da in diesen Bereichen viel Wärme erzeugt wird. Ebenso ist eine gute Wärmeabführung bei LEDs vorteilhaft, um die Elektronik zu schützen.
Beispiele und Figuren, die der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen, sind nachstehend angegeben.
Hierbei zeigt die 1 schematisch die Herstellungsschritte einer Sandwich-Verbundstruktur mit Waben-Struktur und einer Füllung mit Pech-basierten Kohlenstofffasern in out-of-plane Richtung und Decklagen.
Eine Wabenstruktur 1, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen Wänden 2 aufweist, die eine Vielzahl von Wabenzellen 4 ausbilden, wird bereitgestellt. In die Wabenzellen 4 der Wabenstruktur werden nichtmetallische thermisch leitfähige Kerne 6, die aus mit einem Polymer durch Schrumpfschlauchverfahren ummantelten UHM-Fasern ausgebildet ist, eingebracht. Auf diese thermisch leitfähige Wabenstruktur 1 werden an beiden Seiten Deckschichten 8 aufgebracht, wodurch eine Verbundstruktur in Sandwichbauweise hergestellt wird.
Beispiel 1
Herstellung einer Wabe mit Deckplatte
Eine Platte ausgebildet aus einer Aramidwabe mit einer Zellgröße von 0,47625 mm (PN2, Plascore GmbH&CoKG) wurde vorgelegt. Die Waben wurden mit Pech-basierten Kohlenstofffasern des Typs K13D2U (Mitsubishi Plastics Incorporation, Tokio, Japan) der in Tabelle 1 dargestellten Materialeigenschaften gefüllt. Tabelle 1: Kohlenstofffasern

Faserhersteller Typ Filament-durchmesser [μm] Titer [tex] Zugfestigkeit [MPa] E-Modul [GPa] Dehnung [%] axiale Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

Mitsubishi K13D2U 11 2000 3790 935 0,4 851

Hierzu wurden jeweils 34 Rovings in einen thermoplastischen Schrumpfschlauch (9.5/4.8, 3M Deutschland GmbH) eingeführt und bei über 120°C mittels Heißluft geschrumpft. Anschließend wurde jede Wabenzelle ist mit 34 Rovings K13D2U präpariert mit dem Schrumpfschlauch, gefüllt. Auf die Wabe wurde eine 2 mm dicke Harzschicht aus Epoxidharz (Momentive EPIKOTE 135 und EPIKURE 137 System von Momentive Specialty Chemicals Incorporation, Columbus, USA) der in Tabelle 2 dargestellten Materialeigenschaften mit 50 Gew.-% gemahlenen Pechfasern (K223HM, Mitsubishi Plastics Incorporation) der in Tabelle 3 aufgeführten Materialeigenschaften aufgetragen. Tabelle 2: Momentive EPIKOTE 135 und EPIKURE 137 System

Eigenschaft	Kennwert
Dichte Harz (bei 25°C) [g/cm³]	1,13–1,17
Dicht Härter (bei 25°C) [g/cm³]	0,93–0,98
Viskosität Harz (bei 25°C) [mPas]	700–1100
Viskosität Härter (bei 25°C) [mPas]	10–50
Gewichtsmischungsverhältnis (Harz:Härter)	100:30
Dichte des gehärteten Harzsystems [g/cm³]	1,18–1,20
Wärmeleitfähigkeit des gehärteten Harzssystems [W/mK]	0,24

Tabelle 3: K223HM gemahlene Pech-basierte Kohlenstofffaser

Produktbezeichnung	K223HM
Hersteller	Mitsubishi Plastics Incorporation, Tokyo, Japan
Durchschnittliche Länge [μm]	168
Filamentdurchmesser [μm]	11
Aspektverhältnis	15,27
Wärmeleitfähigkeit [W/mK]	691
Dichte [g/cm³]	2,2

Anschließend wurde die Harzschicht bis zum Faserquerschnitt der K13D2U Fasern herunter geschliffen. Hierdurch konnte eine homogene Oberfläche für eine Messung nach ASTM E 1225-04 erzielt werden.
Die Versuchsplatte erzielte in Messungen (Center for Composite Materials der University of Delaware, USA) in Anlehnung an den ASTM Standard E 1225-04, im Durchschnitt eine out-of-plane Wärmeleitfähigkeit von 26 W/mK. Verglichen mit der out-of-plane Wärmeleitfähigkeit von PAN-Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff von 0,7 W/mK ist dies eine 37-fache Steigerung.
Dies zeigt, dass durch die erfindungsgemäß mit einem nichtmetallischen thermisch leitfähigen Kern, wobei der Kern eine Vielzahl von thermisch leitfähigen Pech-basierten Kohlenstofffasern aufweist, die mit einem Polymer ummantelt sind, gefüllten Wabenzellen eine außerordentlich große Steigerung der Wärmeleitfähigkeit einer Wabenstruktur erzielt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5288537 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 53842 [0019]
ASTM Standard E 1225-04 [0031]
ASTM E 1225-04 [0058]
ASTM Standard E 1225-04 [0059]

Claims

Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen Wänden (2) aufweist, die eine Vielzahl von Zellen (4) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Zellen (4) einen nichtmetallischen thermisch leitfähigen Kern (6) aufweist, wobei der Kern (6) eine Vielzahl von thermisch leitfähigen Pech-basierten Kohlenstofffasern enthält, die eine polymere Ummantelung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wabenförmig ausgestaltet ist, wobei eine Vielzahl von miteinander verbundenen Wänden (2) eine Vielzahl von Wabenzellen (4) ausbilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in Form von Faserbündeln angeordnet sind, wobei vorzugsweise nur die äußeren Fasern oder Faserbündel eine polymere Ummantelung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Ummantelung der Fasern oder Faserbündel durch einen thermoplastischen Schrumpfschlauch, eine Folienummantelung, eine thermoplastische, duroplastische oder elastomere Beschichtung, oder eine thermoplastische Ummantelung ausgebildet ist.
Verbundkonstruktion in Schichtstruktur insbesondere Sandwich-Leichtbauteil enthaltend eine Vorrichtung zur Ableitung von Wärme, insbesondere eine Wabenstruktur, nach einem der vorhergehenden Ansprüche und wenigstens eine Deckschicht (8).
Verbundkonstruktion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Faserenden der Pech-basierten Kohlenstofffasern in eine oder beide Deckschichten (8) hineinragen.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Ableitung von Wärme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Vorrichtung, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen Wänden aufweist, die eine Vielzahl von Zellen ausbilden, b) Bereitstellen Pech-basierter Kohlenstofffasern, c) Ausbilden nichtmetallischer thermisch leitfähiger Kerne, die eine Vielzahl von thermisch leitfähigen Pech-basierten Kohlenstofffasern aufweisen, durch Ummanteln der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einem Polymer, und d) Einbringen der Kerne in zumindest einen Teil der Zellen der Vorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man die Fasern oder Faserbündel der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einem Schrumpfschlauch oder einer Polymerfolie ummantelt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die Fasern oder Faserbündel der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einem thermoplastischen, duroplastischen oder elastomeren Polymer beschichtet, oder mittels Friktionsspinnen mit einem thermoplastischen Polymer ummantelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man das Ummanteln der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einem Polymer dadurch ausbildet, dass man die Pechfasern in eine aushärtende Polymerstruktur einbringt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Ausbildung einer Verbundkonstruktion die Faserenden der Pech-basierten Kohlenstofffasern in eine oder mehrere Deckschichten einbringt.
Verwendung einer Vorrichtung zur Ableitung von Wärme nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder einer Verbundkonstruktion in Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 5 bis 6 zur Wärmeableitung von Bauteilen, insbesondere der Luft- und Raumfahrt oder Fahrzeugtechnik, insbesondere in Heckauslegern von Hubschraubern, Felgen und Bremsen von Automobilen, Leuchtdioden, Satellitenstrukturen oder Elektrofahrzeugen mit Komponenten aus Faserverbundwerkstoff.