DE102019102733A1 - Hybridstruktur - Google Patents

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Abstract

Hybridstruktur bestehend aus einer nicht-metallischen Schicht (4) mit hoher thermischer Leitfähigkeit, die zwischen zwei metallischen Blechen (3) angeordnet ist. In den beiden Blechen (3) sind einseitig und der mittleren Schicht (4) zugewandte senkrecht abstehende Haken (3a) eingearbeitet, die in die mittlere Schicht (4) eindringen. Die Haken können unterschiedliche Längen besitzen. Sie erhöhen die Festigkeit des Verbundes und die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Hybridstrukturebene.

Description

  • Hybridstrukturen bestehen aus einem Verbund ungleicher Materialien, um ihre Vorteile zu kombinieren. In den meisten Fällen werden Metalle und Kunststoffe kombiniert, um höhere mechanische Eigenschaften bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion zu erhalten. In allen bisher bekannten Entwicklungen ist das Ziel, Hybridstrukturen mit geringerem Gewicht und höherer Festigkeit als die Ausgangsmaterialien zu erhalten.
  • Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Hybridstruktur zu schaffen, die neben höhere Festigkeit und Gewichtsreduktion auch eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit besitzt.
  • Dieses Problem wird mit dem im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
  • Die vorgeschlagene Hybridstruktur (1) besteht aus einer nicht-metallischen Schicht (4) mit hoher thermischer Leitfähigkeit, die zwischen zwei metallischen Blechen (3) angeordnet ist. In den beiden Blechen (3) sind einseitig und der mittleren Schicht (4) zugewandte senkrecht abstehende Haken (3a) eingearbeitet, die in die mittlere Schicht (4) eindringen. Die Haken können unterschiedliche Längen besitzen. Sie erhöhen die Festigkeit des Verbundes und die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Hybridstrukturebene.
  • In einer Ausführungsform besteht die nicht-metallische Schicht (4) aus einem Gelege oder Flies aus thermisch hochleitenden Karbonfasern, das in einer Matrix, z.B. Epoxidharz, eingelagert und mit den metallischen Blechen (3) verbunden ist. Es sind hochleitende Karbonfasern bekannt, die eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 800 W/mK haben. Für ein entsprechendes mit Epoxidharz getränktes Flies oder Gelege wurden bereits Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 500 W/mK nachgewiesen. Diese Werte sind mehr als dreimal höher, als bei hochfesten Aluminiumlegierungen.
  • In einer anderen Ausführungsform besteht die nicht-metallische Schicht aus thermisch hochleitenden kristallinen Kohlenstoff oder pyrolytischem Graphit, von denen in gepresster Form Wärmeleitfähigkeiten bis 1400 W/mK nachgewiesen wurden.
  • Während die nicht-metallische Schicht (4) die hohe thermische Leitfähigkeit bewirkt, übernehmen die beiden Deckbleche (3) die mechanische Festigkeit des Verbundes.
  • Die Haftung der nicht-metallische Schicht (4) an die metallischen Deckschichten kann durch Kleben oder dem sogenannten „co-curing“ erfolgen. Bei letzterer Methode wird die Faserschicht mit noch nicht ausgehärteter Epoxidharzmatrix zwischen den beiden metallischen Deckschichten verpresst und in diesem Zustand ausgehärtet.
  • Die vorgeschlagene Hybridstruktur kann sowohl eine flächige Gestalt, als auch beliebigen dreidimensionale Ausführungsformen haben.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in 1 dargestellt, bei der zwei flächige Hybridstrukturen (1) als Deckbleche in einem Honigwaben-Sandwich (2) dienen. Die Hybridstruktur-Deckbleche (1) bestehen aus der nicht-metallische Schicht (4) und den beiden metallischen Blechen (3), die hier mit eingearbeiteten Haken dargestellt sind. Verlustwärme von auf dem Sandwich montierten Geräten wird somit sehr gut in allen Richtungen der Sandwichebene abgeleitet.

Claims (10)

  1. Hybridstruktur bestehend aus ungleichen Materialien dadurch gekennzeichnet, dass eine thermisch hochleitende nicht-metallische Schicht (4) zwischen zwei metallischen und mit integrierten Haken (3a) versehenden Deckblechen (3) eingelagert ist, wobei die Haken in die hochleitende nicht-metallische Schicht (4) eindringen.
  2. Hybridstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haken (3a) aus dem Grundmaterial der Deckbleche herausgearbeitet, durch additive Fertigungsverfahren hergestellt oder durch Schweißen aufgebracht sind.
  3. Hybridstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-metallische Schicht (4) aus mehreren Lagen unidirektionalen und in verschiedenen Winkeln zueinander verlaufenden thermisch hochleitenden Karbonfasern besteht, so dass für die Wärmeleitung eine quasi-isotrope Anordnung entsteht.
  4. Hybridstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-metallische Schicht (4) aus einem Vlies mit zufällig ausgerichteten hochleitenden Karbonfasern besteht.
  5. Hybridstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-metallische Schicht (4) aus gewebtem hochleitenden Fasermaterial besteht.
  6. Hybridstruktur nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial in aushärtbaren Epoxidharz getränkt ist.
  7. Hybridstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das aushärtbare Epoxidharz Zusatzstoffe zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit enthält.
  8. Hybridstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-metallische Schicht (4) und die metallischen Deckbleche (3) durch Klebung miteinander verbunden sind.
  9. Hybridstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nicht-metallische Schicht (4) und die metallischen Deckbleche (3) durch „cocuring“, d.h. während des Aushärtvorgangs des Epoxidharzes miteinander verbunden werden.
  10. Hybridstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-metallische Schicht (4) aus gepressten kristallinen Kohlenstoff oder pyrolytischem Graphit besteht.
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