DE102021111884A1

DE102021111884A1 - Polymere sandwichstruktur mit erhöhter wärmeleitfähigkeit und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE102021111884A1
Application number: DE102021111884.0A
Authority: DE
Inventors: Selina X. ZHAO; Xiaosong Huang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-06-23
Also published as: CN114654845B; CN114654845A; US11331890B1

Abstract

Eine polymere Sandwichstruktur mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit umfasst eine erste Schicht, die aus einer ersten Polymermatrix gebildet ist und eine erste Faserverstärkungslage enthält, die in die erste Polymermatrix eingebettet ist, eine zweite Schicht, die aus einer zweiten Polymermatrix gebildet ist und eine zweite Faserverstärkungslage enthält, die in die zweite Polymermatrix eingebettet ist, und eine dritte Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei die dritte Schicht aus einer dritten Polymermatrix gebildet ist, in die Graphen-Nanoplättchen eingestreut sind. Jede der ersten und zweiten Faserverstärkungslagen ist aus Verstärkungsfasern hergestellt und umfasst einen jeweiligen Satz von darin ausgebildeten versetzten diskontinuierlichen Perforationen, wobei jeder jeweilige Satz von versetzten diskontinuierlichen Perforationen eine jeweilige erste Vielzahl von Verstärkungsfasern mit einer jeweiligen ersten Länge und eine jeweilige zweite Vielzahl von Verstärkungsfasern mit einer jeweiligen zweiten Länge, die länger als die jeweilige erste Länge ist, definiert.

Description

EINLEITUNG
Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf polymere Sandwichstrukturen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit und Verfahren zur Herstellung von polymeren Sandwichstrukturen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit.
Verbundwerkstoffe können verwendet werden, um eine Vielzahl von Komponenten zu bilden, wie z. B. Strukturelemente, Abdeckungen und dergleichen. Zu den häufig verwendeten Verbundwerkstoffen gehören eine duroplastische Harzmatrix mit darin eingebetteten Streifen oder Bahnen aus Verstärkungsmaterial, wie z. B. Kohlefaser oder Glasfaser, oder ein thermoplastisches Polymer mit darin eingebetteten geschnittenen Fasern. Zum Beispiel werden beim Formpressen üblicherweise sogenannte „Prepregs“ verwendet, um Teile zu formen, wobei die Prepregs Platten, Streifen, Gewebe oder Bahnen von Verstärkungsmaterial sind, die mit duroplastischem Harz beschichtet und durchtränkt sind und die in beheizte Formhohlräume gelegt und mit einem Formstempel komprimiert werden.
Eine der Herausforderungen bei dieser Art von Ansatz ist, dass es eine gewisse Zeit dauert, bis sich die Wärme aus der beheizten Form durch die Dicke des Prepregs von der Oberfläche, die mit dem beheizten Formhohlraum in Kontakt ist, bis zur anderen Seite des Prepregs, die nicht in Kontakt mit dem beheizten Formhohlraum ist, ausbreitet.
BESCHREIBUNG
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine polymere Sandwichstruktur mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit eine erste Schicht, die aus einer ersten Polymermatrix gebildet ist und eine erste Faserverstärkungslage enthält, die in die erste Polymermatrix eingebettet ist, eine zweite Schicht, die aus einer zweiten Polymermatrix gebildet ist und eine zweite Faserverstärkungslage enthält, die in die zweite Polymermatrix eingebettet ist, und eine dritte Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei die dritte Schicht aus einer dritten Polymermatrix gebildet ist, in die Graphen-Nanoplättchen eingestreut sind. Jede der ersten und zweiten Faserverstärkungslagen ist aus Verstärkungsfasern hergestellt und enthält einen jeweiligen Satz versetzter diskontinuierlicher Perforationen, die darin ausgebildet sind. Jeder jeweilige Satz versetzter diskontinuierlicher Perforationen definiert eine jeweilige erste Vielzahl von Verstärkungsfasern mit einer jeweiligen ersten Länge und eine jeweilige zweite Vielzahl von Verstärkungsfasern mit einer jeweiligen zweiten Länge, die länger als die jeweilige erste Länge ist.
Die Perforationen können eine durchschnittliche Breite oder einen Durchmesser von etwa 10 bis 300 Mikrometern und eine durchschnittliche Dichte von etwa 100 bis 60.000 Perforationen pro Quadratmeter aufweisen. Die polymere Sandwichstruktur kann so beschaffen sein, dass jede der ersten, zweiten und dritten Polymermatrizen von (i) einer ersten Temperatur beim Platzieren der polymeren Sandwichstruktur in eine beheizte Form, wobei die erste Schicht in Kontakt mit der beheizten Form ist, auf (ii) mindestens eine vorbestimmte zweite Temperatur durch kontinuierliche Aufbringung von Wärme aus der beheizten Form auf die erste Schicht in 20 % bis 50 % weniger Zeit erwärmt werden kann, als wenn die dritte Polymermatrix die Graphen-Nanoplättchen nicht enthalten würde.
Die dritte Polymermatrix kann mindestens 50 Vol.-% an hohlen Mikrokugeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 10 bis 100 Mikrometern enthalten. Die hohlen Mikrokugeln können hohle Glasmikrokugeln sein, und die dritte Polymermatrix kann etwa 0,46 g/cm³ der hohlen Glasmikrokugeln enthalten. Jede der ersten, zweiten und dritten Polymermatrizen kann ein duroplastisches Polymer oder ein thermoplastisches Polymer enthalten, und die Verstärkungsfasern können Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern oder eine beliebige Kombination davon enthalten. Zum Beispiel kann jede der ersten und zweiten Polymermatrizen eine duroplastische Harzmatrix enthalten, wobei jede der ersten und zweiten Faserverstärkungslagen ein Prepreg ist, das mit der duroplastischen Harzmatrix imprägniert ist. Alternativ kann jede der ersten und zweiten Polymermatrizen ein thermoplastisches Polymer mit mindestens 25 Volumenprozent an geschnittenen Fasern enthalten.
Die erste, die zweite und die dritte Polymermatrix können aus dem gleichen Material hergestellt sein wie die anderen. Zusätzlich kann mindestens eine der ersten und zweiten Polymermatrizen Graphen-Nanoplättchen enthalten, die darin eingestreut sind. Die polymere Sandwichstruktur kann ferner eine vierte Schicht umfassen, die auf einer Oberfläche der zweiten Schicht gegenüber der dritten Schicht angeordnet ist, wobei die vierte Schicht aus einer vierten Polymermatrix mit darin eingestreuten Graphen-Nanoplättchen gebildet ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine polymere Sandwichstruktur mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit: (i) eine erste Schicht, die aus einer ersten Polymermatrix gebildet ist und eine erste Faserverstärkungslage enthält, die in die erste Polymermatrix eingebettet ist; (ii) eine zweite Schicht, die aus einer zweiten Polymermatrix gebildet ist und eine zweite Faserverstärkungslage enthält, die in die zweite Polymermatrix eingebettet ist; und (iii) eine dritte Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei die dritte Schicht aus einer dritten Polymermatrix gebildet ist, die darin eingestreute Graphen-Nanoplättchen aufweist und mindestens 50 Vol.-% hohle Mikrokugeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 10 bis 100 Mikrometern enthält. Jede der ersten und zweiten Faserverstärkungslagen ist aus Verstärkungsfasern hergestellt und enthält einen jeweiligen Satz von darin ausgebildeten versetzten diskontinuierlichen Perforationen mit einer durchschnittlichen Breite oder einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 10 bis 300 Mikrometern und einer durchschnittlichen Dichte von etwa 100 bis 60.000 Perforationen pro Quadratmeter, und jeder jeweilige Satz von versetzten diskontinuierlichen Perforationen definiert eine jeweilige erste Vielzahl von Verstärkungsfasern mit einer jeweiligen ersten Länge und eine jeweilige zweite Vielzahl von Verstärkungsfasern mit einer jeweiligen zweiten Länge, die länger als die jeweilige erste Länge ist. Die polymere Sandwichstruktur ist wirksam, um zu ermöglichen, dass jede der ersten, zweiten und dritten Polymermatrizen von einer ersten Temperatur beim Platzieren der polymeren Sandwichstruktur in einer beheizten Form mit der ersten Schicht in Kontakt mit der beheizten Form auf mindestens eine vorbestimmte zweite Temperatur durch kontinuierliche Aufbringung von Wärme von der beheizten Form auf die erste Schicht in 20 % bis 50 % weniger Zeit erhitzt wird, als wenn die dritte Polymermatrix die Graphen-Nanoplättchen nicht enthalten würde.
Die hohlen Mikrokugeln können hohle Glasmikrokugeln sein, wobei die dritte Polymermatrix etwa 0,46 g/cm³ der hohlen Glasmikrokugeln enthalten kann. Mindestens eine der ersten und zweiten Polymermatrizen kann darin eingestreute Graphen-Nanoplättchen enthalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer fließfähigen polymeren Sandwichstruktur mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit: Dispergieren von Graphen-Nanoplättchen in einem Lösungsmittel, um eine Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Mischung herzustellen; Mischen der Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Mischung mit Ultraschall, um einen vorbestimmten Grad an Homogenität zu erreichen; Kombinieren der Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Mischung mit einer Polymermatrix, um eine Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel/Polymermatrix-Mischung herzustellen; Verdampfen mindestens eines Großteils des Lösungsmittels aus der Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel/Polymermatrix-Mischung, um eine Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Mischung zu erzeugen; Unterdrucksetzen der Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Mischung gemäß einem Druckprofil; Dispergieren der Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Mischung auf einem ersten Trägerfilm; Leiten der Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Mischung und des ersten Trägerfilms durch eine Rakelanordnung, um eine vorbestimmte Dicke der Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Mischung auf dem ersten Trägerfilm zu erreichen, wodurch ein erstes Gemisch/Trägerprodukt hergestellt wird; und Erhitzen des ersten Gemisch/Trägerprodukts in einem Ofen, um einen vorbestimmten Aushärtungsgrad und/oder eine vorbestimmte Viskosität des Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Mischungsanteils des ersten zu erreichen.
Das Verfahren kann außerdem vor dem Kombinationsschritt umfassen: Erhitzen der Polymermatrix auf eine vorbestimmte Temperatur; und Einmischen von hohlen Mikrokugeln in die Polymermatrix. Das Verfahren kann zusätzlich nach dem Erhitzungsschritt umfassen: Aufwickeln des ersten Gemisch/Trägerprodukts zu einer Rolle. Das Verfahren kann außerdem umfassen: Dispergieren der Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Mischung auf einem zweiten Trägerfilm; Platzieren von Endlosfaserfilamenten oder -lagen auf oder in die Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Mischung auf dem zweiten Trägerfilm, um einen vorbestimmten Faservolumenanteil zu erreichen; Herstellen von Perforationen in den Endlosfaserfilamenten oder -lagen unter Verwendung eines Perforationsschneidkopfes oder eines Lasers, wodurch ein zweites Gemisch/Trägerprodukt hergestellt wird; Stapeln des ersten Gemisch/Trägerprodukts mit dem zweiten Gemisch/Trägerprodukt; und Erhitzen des zweiten Gemisch/Trägerprodukts in dem Ofen zusammen mit dem ersten Gemisch/Trägerprodukt, um den vorbestimmten Aushärtungsgrad und/oder die vorbestimmte Viskosität für die Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Mischungsanteile sowohl des ersten als auch des zweiten Gemisch/Trägerprodukts zu erreichen. Schließlich kann das Verfahren weiterhin umfassen: Aufwickeln des gestapelten ersten und zweiten Gemisch/Trägerprodukts zu einer Rolle.
Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger der besten Modi und anderer Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Lehre, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, einfach ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer polymeren Sandwichstruktur mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer alternativen polymeren Sandwichstruktur mit einer vierten Schicht.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Kernschicht im Kreis 3-3 von 1.
4 ist ein Blockdiagramm von verschiedenen Arten von Verstärkungsfasern.
5 ist eine schematische Draufsicht auf eine Faserverstärkungslage mit Perforationen darin.
6 ist eine schematische Ansicht der Prozessausrüstung zur Herstellung einer Kernschicht für die polymere Sandwichstruktur.
7 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung der Kernschicht für die polymere Sandwichstruktur.
8 ist eine schematische Ansicht der Prozessausrüstung zur Herstellung einer Außenschicht für die polymere Sandwichstruktur.
9 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung der Außenschicht für die polymere Sandwichstruktur.
10 ist eine schematische Ansicht der Prozessausrüstung zur Herstellung sowohl einer Kernschicht als auch einer Außenschicht für die polymere Sandwichstruktur.
11 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung sowohl der Kernschicht als auch der Außenschicht für die polymere Sandwichstruktur.
12 zeigt Temperatur-Zeit-Profile für die Erwärmung der ersten, zweiten und dritten Schicht einer polymeren Sandwichstruktur, wobei der Ansatz der vorliegenden Offenbarung mit einem üblichen Ansatz verglichen wird.
13 ist ein Blockdiagramm verschiedener Polymermatrizen und Fasern, die in der ersten, zweiten und dritten Schicht der polymeren Sandwichstruktur verwendet werden können.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Ziffern gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, werden hier eine polymere Sandwichstruktur 10 mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit und verschiedene Konfigurationen von Systemen/Verarbeitungsanlagen 101, 301, 401 und Verfahren 100, 300, 400 zur Herstellung der polymeren Sandwichstruktur 10 (einschließlich einer Kernschicht 24 und einer Außenschicht 29 der polymeren Sandwichstruktur 10) gezeigt und beschrieben.
1 zeigt eine Ausführungsform einer polymeren Sandwichstruktur 10 mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit. Die polymere Sandwichstruktur 10 umfasst eine erste Schicht 12, die aus einer ersten Polymermatrix 14 gebildet ist und eine erste Faserverstärkungslage 16 enthält, die in die erste Polymermatrix 14 eingebettet ist, eine zweite Schicht 18, die aus einer zweiten Polymermatrix 20 gebildet ist und eine zweite Faserverstärkungslage 22 enthält, die in die zweite Polymermatrix 20 eingebettet ist, und eine dritte Schicht 24, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht 12, 18 angeordnet ist, wobei die dritte Schicht 24 aus einer dritten Polymermatrix 26 gebildet ist, in die Graphen-Nanoplättchen 28 eingestreut sind. Es sei verstanden, dass die erste und zweite Schicht 12, 18 auch als Außenschichten 29 und die dritte Schicht 24 auch als Kernschicht 24 bezeichnet werden kann. Es sei auch verstanden, dass, während einige der Zeichnungen zeigen, dass die erste Schicht 12 unterhalb der dritten Schicht/Kernschicht 24 und die zweite Schicht 18 oberhalb der dritten Schicht/Kernschicht 24 angeordnet ist, die Positionen der ersten und zweiten Schichten 12, 18 in Bezug auf die dritte Schicht/Kernschicht 24, wie in den Zeichnungen gezeigt, auch vertauscht sein können.
Die Graphen-Nanoplättchen 28 sind detaillierter (schematisch) in 3 dargestellt, die eine vergrößerte Ansicht der dritten Schicht 24 innerhalb des Kreises 3-3 von 1 zeigt. Hier sind die Graphen-Nanoplättchen 28 als eingebettet und dispergiert in der dritten Polymermatrix 26 dargestellt. Es sei verstanden, dass, während die Graphen-Nanoplättchen 28 als Cluster mit einer Vielzahl von Formen und Größen gezeigt werden, die Cluster von Graphen-Nanoplättchen 28 auch eine einheitliche Größe und Form haben können. Die Verteilung von Graphen-Nanoplättchen 28 in der gesamten dritten Schicht/Kernschicht 24 sorgt für eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit der gesamten polymeren Sandwichstruktur 10, die im Folgenden näher erläutert wird.
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Faserverstärkungslage 16, 22, in der eine Anordnung von versetzten, diskontinuierlichen Perforationen 36 ausgebildet ist. (5 zeigt nominell eine erste Verstärkungslage 16, aber die gleiche Struktur und die gleichen Merkmale können auch für die zweite Verstärkungslage 22 gelten, daher ist die Referenznummer 22 in der Zeichnung in Klammern und gestrichelten Führungslinien dargestellt). Jede der ersten und zweiten Faserverstärkungslagen 16, 22 ist aus Verstärkungsfasern 30 hergestellt, und jede Lage 16, 22 enthält einen entsprechenden Satz 32, 34 versetzter, diskontinuierlicher Perforationen 36, die darin ausgebildet sind; d.h. die erste Faserverstärkungslage 16 enthält einen ersten Satz 32 von Perforationen 36, und die zweite Faserverstärkungslage 22 enthält einen zweiten Satz 34 von Perforationen 36. Diese Perforationen 36 stellen diskrete, nicht zusammenhängende, versetzte Schnitte oder Hohlräume dar, die in den Verstärkungsfasern 30 gebildet werden, wodurch die einzelnen Fasern 30 effektiv in bestimmte Längen geschnitten werden. Jeder jeweilige Satz 32, 34 von Perforationen 36 definiert eine jeweilige erste Vielzahl 38 von Verstärkungsfasern 30 mit einer jeweiligen ersten Länge L₁ und eine jeweilige zweite Vielzahl 40 von Verstärkungsfasern 30 mit einer jeweiligen zweiten Länge L₂, die länger als die jeweilige erste Länge L₁ ist. Mit anderen Worten, der erste Satz 32 von Perforationen 36 (gebildet in der ersten Faserverstärkungslage 16) definiert zwei Gruppen oder Vielzahlen von Verstärkungsfasern 30: eine erste Vielzahl 38 von Fasern 39 mit einer ersten Länge L₁ und eine zweite Vielzahl 40 von Fasern 41 mit einer längeren zweiten Länge L₂, wie durch die mit Doppelpfeilen versehenen Linien in 5 dargestellt. Ebenso definiert der zweite Satz 34 von Perforationen 36 (gebildet in der zweiten Faserverstärkungslage 22) seine eigenen zwei jeweiligen Vielzahlen 38, 40 von Verstärkungsfasern 39, 41, die von den zwei Vielzahlen 38, 40 von Fasern 39, 41, die dem ersten Satz 32 von Perforationen 36 der ersten Lage 16 zugeordnet sind, getrennt sind (die aber ähnlich sein können). Somit hat die zweite Verstärkungslage 22 ebenfalls eine erste Vielzahl 38 von Fasern 39 mit einer ersten Länge L₁ und eine zweite Vielzahl 40 von Fasern 41 mit einer längeren zweiten Länge L₂. Obwohl es möglich ist, dass die ersten und zweiten Längen L₁, L₂, die dem ersten Satz 32 und der ersten Faserverstärkungslage 16 zugeordnet sind, sich von den ersten und zweiten Längen L₁, L₂, die dem zweiten Satz 34 und der zweiten Faserverstärkungslage 22 zugeordnet sind, unterscheiden, würde dies die Bildung von zwei verschiedenen Mustern oder Abständen von Perforationen 36 für die beiden Lagen 16, 22 erfordern; daher kann es am praktischsten sein, das gleiche Muster und den gleichen Abstand von Perforationen 36 für beide Lagen 16, 22 zu verwenden, wodurch beide Lagen 16, 22 die gleiche erste Länge L₁ und die gleiche längere zweite Länge L₂ haben.
Die Perforationen 36 können mit Hilfe eines Perforationsschneidkopfes 96 oder eines Lasers 97 in den Lagen 16, 22 ausgebildet werden, wie im Folgenden näher erläutert wird. Wie in 5 gezeigt, kann sich jede Perforation 36 über zwei benachbarte einzelne Verstärkungsfasern 30 erstrecken, wobei die Perforationen 36 so versetzt sind, dass die beiden unterschiedlichen Längen L₁, L₂ der geschnittenen Fasern 39, 41 entstehen. Verfahren zur Herstellung der Perforationen 36 sind weiter unten sowie in U.S. Pat. Nr. 10,113,250 und U.S. Pat. App. Pub. 2018/0016740 A1 beschrieben, die beide dem vorliegenden Anmelder zugeordnet sind und die beide durch Bezugnahme hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind. Wie in den inkorporierten Dokumenten beschrieben und wie in 5 dargestellt, können die Perforationen 36 als versetzt und diskontinuierlich charakterisiert werden. „Diskontinuierlich“ bedeutet, dass jede Perforation 36 von jeder benachbarten Perforation 36 getrennt ist, und somit jede Perforation 36 nicht an eine benachbarte Perforation 36 angrenzt. „Versetzt“ bedeutet, dass die Perforationen 36 so angeordnet sind, dass für jede Verstärkungsfaser 30 die beiden diskreten Längen L₁, L₂ der geschnittenen Fasern 39, 41 vorgesehen sind.
Wie in 5 gezeigt, können die Perforationen 36 beispielsweise in Reihen 36r angeordnet sein, die parallel zu einer x-Achse verlaufen, entlang derer die Breite des Bogens 16, 22 gemessen werden kann, aber die Perforationen 36 können auch entlang von Spalten 36c angeordnet sein, die schräg (d.h. nicht parallel) zu einer y-Achse verlaufen, entlang derer die Länge des Bogens 16, 22 gemessen werden kann. Hier überspannt jede Perforation 36 in der Spalte 36c zwei benachbarte Fasern 30, wobei die benachbarte Perforation 36 oberhalb um eine Faser 30 nach links (in negativer x-Richtung) und die benachbarte Perforation 36 unterhalb um eine Faser nach rechts (in positiver x-Richtung) versetzt ist. Somit sind die Perforationen 36 „versetzt“ oder in mindestens einer Richtung versetzt, so dass die Perforationen 36 die Verstärkungsfasern 30 in kurze Segmente 39 mit einer kurzen Länge L₁ und lange Segmente 41 mit einer langen Länge L₂ größer als die kurze Länge L₁ unterteilen. Die Perforationen 36 können, wie gezeigt, rechteckig, oval, kreisförmig oder anders geformt sein und eine durchschnittliche Breite oder einen Durchmesser d₃₆ von etwa 10 bis 300 Mikrometern und eine durchschnittliche Flächendichte D₃₆ von etwa 100 bis 60.000 Perforationen 36 pro Quadratmeter Lagenfläche aufweisen.
12 zeigt Temperatur-Zeit-Profile für die Erwärmung der ersten, zweiten und dritten Schicht 12, 18, 24 der polymeren Sandwichstruktur 10, wenn die polymere Sandwichstruktur 10 in eine beheizte Form 42 gelegt wird, wobei die erste Schicht 12 in Kontakt mit der beheizten Form 42 ist. Die drei gestrichelten Kurven mit den Bezeichnungen TP_12,0, TP_18,0 und TP_24,0 stellen die Temperaturprofile der ersten, zweiten bzw. dritten Schicht 12, 18, 24 nach einem üblichen Ansatz dar. Hier beginnen die Temperaturprofile der drei Schichten 12, 18, 24 jeweils bei etwa der Temperatur T₁, die eine Umgebungstemperatur oder eine vorgewärmte Temperatur sein kann, wenn die polymere Sandwichstruktur 10 in die beheizte Form 42 eingelegt wird, wobei die erste Schicht 12 in Kontakt mit der beheizten Form 42 ist. Es ist zu beachten, dass sich das Temperaturprofil TP_12,0 der ersten Schicht 12 schneller und auf eine höhere Endtemperatur erwärmt als das Temperaturprofil TP_24,0 der dritten Schicht/Kernschicht 24, und das Temperaturprofil TP_24,0 der dritten Schicht/Kernschicht 24 erwärmt sich schneller und auf eine höhere Endtemperatur als das Temperaturprofil TP_18,0 der zweiten Schicht 18.
Die drei Profile TP_12,0 TP_24,0, TP_18,0 des üblichen Ansatzes werden den drei Profilen TP_12,1, TP_24,1, TP_18,1 des Ansatzes der vorliegenden Offenbarung gegenübergestellt. Während die üblichen und die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Temperaturprofile TP_12,0, TP_12,1 der ersten Schicht 12 im Wesentlichen gleich sind, zeigen die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Temperaturprofile TP_24,1, TP_18,1 der Kern- und der zweiten Schicht 24, 18 eine schnellere Erwärmung als ihre jeweiligen üblichen Temperaturprofile TP_24,0, TP_18,0. Diese schnellere Erwärmung kann auf das Vorhandensein der Graphen-Nanoplättchen 28 innerhalb der dritten Schicht/Kernschicht 24 zurückgeführt werden, was die Ausbreitung der Wärme 44 von der ersten Schicht 12 (die in Kontakt mit der beheizten Form 42 ist) zur zweiten Schicht 18 erleichtert. Diese schnellere Erwärmung verbessert wiederum die allgemeine Fließfähigkeit und Formbarkeit der polymeren Sandwichstruktur 10. Die polymere Sandwichstruktur 10 der vorliegenden Offenbarung kann beispielsweise verwendet werden, um Verbundteile schneller und leichter zu formen. Die schnellere Erwärmung kann auch dazu führen, dass sich die jeweiligen Viskositäten der ersten, zweiten und dritten Polymermatrizen 14, 20, 26 während der Erwärmung schneller und/oder besser aneinander angleichen.
In 12 stellt T₂ eine Mindesttemperatur T₂ dar, auf die alle drei Schichten 12, 18, 24 angehoben werden müssen, damit die polymere Sandwichstruktur 10 für die weitere Verarbeitung (z. B. Formpressen) bereit ist. Es ist also zu erkennen, dass nach dem üblichen Ansatz eine bestimmte Zeit Δ_t0 benötigt wird, um alle drei Schichten 12, 18, 24 (und insbesondere die zweite Schicht 18) von der ersten Temperatur T₁ auf die gewünschte zweite Temperatur T₂ zu erwärmen; mit dem Ansatz der vorliegenden Offenbarung wird jedoch viel weniger Zeit Δ_t1 benötigt, um alle drei Schichten 12, 18, 24 auf die zweite Temperatur T₂ zu erwärmen. Durch die Verwendung der Graphen-Nanoplättchen 28 in der dritten Schicht/Kernschicht 24 hat der Anmelder der vorliegenden Offenbarung entdeckt, dass die polymere Sandwichstruktur 10 wirksam sein kann, um jede der ersten, zweiten und dritten Polymermatrizen 14, 20, 26 von (i) einer ersten Temperatur T₁ beim Platzieren der polymeren Sandwichstruktur 10 in eine beheizte Form 42, wobei die erste Schicht 12 in Kontakt mit der beheizten Form 42 ist, auf (ii) mindestens eine vorbestimmte zweite Temperatur T₂ durch kontinuierliche Aufbringung von Wärme 44 von der beheizten Form 42 auf die erste Schicht 12 in 20 % bis 50 % weniger Zeit erwärmt werden kann, als wenn die dritte Polymermatrix 26 die Graphen-Nanoplättchen 28 nicht enthalten würde.
Wie in 3 dargestellt, kann die dritte Polymermatrix 26 zusätzlich zum Gehalt an darin dispergierten Graphen-Nanoplättchen 28 auch mindestens 50 Vol.-% hohle Mikrokugeln 46 mit einem durchschnittlichen Durchmesser d46 von etwa 10 bis 100 Mikrometern enthalten. Die hohlen Mikrokugeln 46 können hohle Glasmikrokugeln sein, und die dritte Polymermatrix 26 kann etwa 0,46 g/cm³ der hohlen Glasmikrokugeln enthalten. Jede der ersten, zweiten und dritten Polymermatrizen 14, 20, 26 kann ein duroplastisches Polymer 56 (z.B. ein Zweikomponenten-Harz) oder ein thermoplastisches Polymer 52 (z.B. Nylon, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), etc.) enthalten. Wie im Blockdiagramm in 4 dargestellt, können die Verstärkungsfasern 30 Kohlenstofffasern 30CF, Glasfasern 30GF, Aramidfasern 30AF, Basaltfasern 30BF oder eine beliebige Kombination davon umfassen. Und wie das Blockdiagramm von 13 zeigt, das verschiedene Polymermatrizen 14, 20, 26 und Fasern veranschaulicht, die in der ersten, zweiten und dritten Schicht 12, 18, 24 verwendet werden können, kann jede der ersten und zweiten Polymermatrizen 14, 20 eine duroplastische Harzmatrix 48 enthalten, wobei jede der ersten und zweiten Faserverstärkungslage 16, 22 ein Prepreg 50 ist, das mit der duroplastischen Harzmatrix 48 imprägniert ist. In dieser Anordnung kann die dritte Schicht/Kernschicht 24 ebenfalls eine duroplastische Harzmatrix 48 enthalten. Alternativ kann jede der ersten und zweiten Polymermatrizen 14, 20 ein teilkristallines thermoplastisches Polymer 51 oder ein amorphes thermoplastisches Polymer 53 enthalten, das einen optionalen Füllstoff aus mindestens 25 Vol.-% geschnittenen Fasern 54 enthält. In dieser Anordnung kann die dritte Schicht/Kernschicht 24 ebenfalls ein teilkristallines oder amorphes thermoplastisches Polymer 51, 53 enthalten.
Die ersten, zweiten und dritten Polymermatrizen 14, 20, 26 können aus demselben Material hergestellt sein wie die anderen. Beispielsweise können alle drei Matrizen 14, 20, 26 eine duroplastische Harzmatrix 48 sein, oder alle drei können aus einem amorphen thermoplastischen Polymer 53 hergestellt sein. Zusätzlich können die erste Polymermatrix 14, die zweite Polymermatrix 20 oder beide Matrizen 14, 20 darin eingestreute Graphen-Nanoplättchen 28 enthalten, die die gesamte Wärmeleitfähigkeit und Formbarkeit der polymeren Sandwichstruktur 10 weiter verbessern können. Wie in 2 dargestellt, kann die polymere Sandwichstruktur 10 ferner eine vierte Schicht 58 umfassen, die auf einer Oberfläche 60 der zweiten Schicht 18 gegenüber der dritten Schicht 24 angeordnet ist, wobei die vierte Schicht 58 aus einer vierten Polymermatrix 62 mit darin eingestreuten Graphen-Nanoplättchen 28 gebildet ist. Diese zusätzliche vierte Schicht 58, die Graphen-Nanoplättchen 28 enthält, kann aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Graphen-Nanoplättchen 28 als EMI (elektromagnetische Interferenz) -Abschirmung und/oder als Masseebene dienen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine polymere Sandwichstruktur 10 mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit: (i) eine erste Schicht 12, die aus einer ersten Polymermatrix 14 gebildet ist und eine erste Faserverstärkungslage 16 enthält, die in die erste Polymermatrix 14 eingebettet ist; (ii) eine zweite Schicht 18, die aus einer zweiten Polymermatrix 20 gebildet ist und eine zweite Faserverstärkungslage 22 enthält, die in die zweite Polymermatrix 20 eingebettet ist; und (iii) eine dritte Schicht 24, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht 12, 18 angeordnet ist, wobei die dritte Schicht 24 aus einer dritten Polymermatrix 26 mit darin eingestreuten Graphen-Nanoplättchen 28 gebildet ist und mindestens 50 Vol.-% hohle Mikrokugeln 46 mit einem durchschnittlichen Durchmesser d₄₆ von etwa 10 bis 100 Mikrometern enthält. Jede der ersten und zweiten Faserverstärkungslagen 16, 22 ist aus Verstärkungsfasern 30 hergestellt und enthält einen jeweiligen Satz 32, 34 von darin ausgebildeten versetzten diskontinuierlichen Perforationen 36 mit einer durchschnittlichen Breite oder einem Durchmesser d₃₆ von etwa 10 bis 300 Mikrometern und einer durchschnittlichen Dichte D36 von etwa 100 bis 60.000 Perforationen 36 pro Quadratmeter, und jeder jeweilige Satz 32, 34 von versetzten diskontinuierlichen Perforationen 36 definiert eine jeweilige erste Vielzahl 38 von Verstärkungsfasern 30 mit einer jeweiligen ersten Länge L₁ und eine jeweilige zweite Vielzahl 40 von Verstärkungsfasern 30 mit einer jeweiligen zweiten Länge L₂, die länger als die jeweilige erste Länge L₁ ist. Die polymere Sandwichstruktur 10 ermöglicht es, dass jede der ersten, zweiten und dritten Polymermatrizen 14, 20, 26 von einer ersten Temperatur T₁ beim Einlegen der polymeren Sandwichstruktur 10 in eine beheizte Form 42 mit der ersten Schicht 12 in Kontakt mit der beheizten Form 42 auf mindestens eine vorbestimmte zweite Temperatur T₂ durch kontinuierliche Aufbringung von Wärme 44 von der beheizten Form 42 auf die erste Schicht 12 in 20 % bis 50 % weniger Zeit erwärmt wird, als wenn die dritte Polymermatrix 26 die Graphen-Nanoplättchen 28 nicht enthalten würde.
Die hohlen Mikrokugeln 46 können hohle Glasmikrokugeln sein, wobei die dritte Polymermatrix 26 etwa 0,46 g/cm³ der hohlen Glasmikrokugeln enthalten kann. Mindestens eine der ersten und zweiten Polymermatrizen 14, 20 kann darin eingestreute Graphen-Nanoplättchen 28 enthalten.
6-11 illustrieren verschiedene Konfigurationen von Systemen/Prozessausrüstungen und Verfahren zur Herstellung der Kernschicht 24 und der Außenschicht 29 für die fließfähige polymere Sandwichstruktur 10 mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit. Genauer gesagt zeigen die 6-7 ein System/eine Prozessausrüstung 101 bzw. ein Verfahren 100 zur Herstellung der Kernschicht 24, die 8-9 ein System/eine Prozessausrüstung 301 bzw. ein Verfahren 300 zur Herstellung einer Außenschicht 29 und die 10-11 ein System/eine Prozessausrüstung 401 bzw. ein Verfahren 400 zur Herstellung sowohl der Kernschicht 24 als auch der Außenschicht 29 zusammen. Es sei verstanden, dass jedes der in den 7, 9 und 11 gezeigten Flussdiagramme durchgehende Pfeile aufweist, die die verschiedenen Blöcke oder Schritte wie in typischen Flussdiagrammen verbinden. Diese Flussdiagramme haben jedoch auch gestrichelte Pfeile, die von links auf die Blöcke zeigen, die Eingänge oder Ausgangsmaterialien für jeden Block darstellen, und gestrichelte Pfeile, die von den Blöcken nach rechts weg zeigen, die Ausgänge oder resultierende Materialien für jeden Block darstellen. Es sei auch verstanden, dass die in den 6, 8 und 10 dargestellten Systeme/Prozessausrüstungen 101, 301, 401 zwar die Teile der Prozessausrüstungen in einer bestimmten Reihenfolge zeigen, dass die Ausrüstungen aber auch auf andere Weise angeordnet sein können und dass die Ausrüstungen und die Abstände zwischen ihnen nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Unter Bezugnahme auf die 6-7 werden nun ein Verfahren 100 und ein System/eine Prozessausrüstung 101 zur Herstellung der Kernschicht 24 beschrieben. In Block 110 werden die Graphen-Nanoplättchen 28 in einem Lösungsmittel 64 (z. B. Alkohol, Aceton usw.) dispergiert, um ein Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Gemisch 66 herzustellen. In Block 120 wird das Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Gemisch 66 in einem Ultraschallmischer 83 mit Ultraschall gemischt (und optional mit Wärme H erwärmt), um einen vorbestimmten Grad an Homogenität und/oder Dispersion 68 zu erreichen. Es sei verstanden, dass der Schritt des Dispergierens der Graphen-Nanoplättchen 28 in dem Lösungsmittel 64 in Block 110 durchgeführt werden kann, indem die Graphen-Nanoplättchen 28 und das Lösungsmittel 64 in den Ultraschallmischer 83 gegeben werden und diese Bestandteile 28, 64 in dem Ultraschallmischer 83 gemischt/dispergiert werden, wie in 6 gezeigt; oder die Bestandteile 28, 64 können in einem separaten Gefäß (nicht gezeigt) gemischt/dispergiert werden, bevor das Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Gemisch 66 in den Ultraschallmischer 83 gebracht wird. In Block 150 wird das Graphen-Nanoplättchen/LösungsmittelGemisch 66 mit einer Polymermatrix 70 kombiniert, um ein Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel/Polymermatrix-Gemisch 72 herzustellen. (Die Polymermatrix 70 kann ein thermoplastisches Polymer 52 oder ein duroplastisches Polymer 56 sein.) In Block 160 wird ein Teil oder die Gesamtheit (z.B. zumindest ein Großteil) des Lösungsmittels 64 aus dem Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel/Polymermatrix-Gemisch 72 verdampft, um ein Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 zu erzeugen. (Es sei verstanden, dass die Referenzzahl 64 in Klammern rechts von Block 160 gezeigt wird; dies soll anzeigen, dass das verdampfte Lösungsmittel 64 in den nachfolgenden Prozessschritten nicht verwendet wird). In Block 170 wird das Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 in einem Tank oder verschlossenen Behälter 87 mit einem Druck P gemäß einem Druckprofil 76 beaufschlagt. Das Druckprofil 76 kann lediglich ein gewünschtes oder angestrebtes Druckniveau sein, oder es kann eine Druck-Zeit-Kurve sein. In Block 180 wird das Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 durch einen Dispersionskopf 89 (der an dem unter Druck stehenden Tank 87 angebracht ist) auf einem ersten Trägerfilm 78 dispergiert, der auf einer Fördereinrichtung 81 transportiert werden kann. Es sein verstanden, dass die Kombination aus dem Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 und dem ersten Trägerfilm 78 durch die Referenzzahl 74+78 rechts von Block 180 dargestellt ist. In Block 190 wird das kombinierte Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch/erster Trägerfilm 74+78 (über die Fördereinrichtung 81) durch eine Rakelanordnung 80 geschickt, um eine vorbestimmte Dicke t_P des Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemischs 74 auf dem ersten Trägerfilm 78 zu erreichen, wodurch ein erstes Gemisch/Trägerprodukt 82 erzeugt wird. Und im Block 200 wird das erste Gemisch/Trägerprodukt 82 mit Wärme H in einem Ofen 84 (mit einem oberen Heizelement 84U und/oder einem unteren Heizelement 84L) erhitzt, um einen vorbestimmten Aushärtungsgrad 86 und/oder eine vorbestimmte Viskosität 88 des Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemischanteils 74 des ersten Gemisch/Trägerprodukts 82 zu erreichen.
Das Verfahren 100 kann ferner (vor dem Kombinationsschritt von Block 150) Folgendes umfassen: in Block 130 Erhitzen der Polymermatrix 70 mit Wärme H auf eine vorbestimmte Temperatur T_P (z. B. eine Schmelztemperatur); und in Block 140 Mischen der hohlen Mikrokugeln 46 in die Polymermatrix 70. (Es sei verstanden, dass die Kombination aus der Polymermatrix 70 und den hohlen Mikrokugeln 46 durch die Referenzzahl 46+70 rechts von Block 140 dargestellt wird). In Block 150 kann die Referenzzahl 70 links von Block 150 auch die Referenzzahl 46+70 enthalten oder als solche interpretiert werden; somit kann die Referenzzahl 70 links von Block 150 optional die Polymermatrix 70 mit darin eingemischten hohlen Mikrokugeln 46 enthalten.) Das Verfahren 100 kann zusätzlich (nach dem Erhitzungsschritt von Block 200) umfassen: in Block 210 das Aufwickeln des ersten Gemischs/Trägerprodukts 82 zu einer Rolle 90 (d.h. einer Rolle des ersten Gemischs/Trägerprodukts 82). Und, wie in 6 gezeigt, kann das System/die Prozessausrüstung 101 verschiedene Pumpen 85 zusammen mit Ventilen und Rohren (nicht beschriftet) zum Fördern der in dem Verfahren oder Prozess 100 verwendeten Materialien umfassen.
Unter Bezugnahme auf die 8-9 werden nun ein Verfahren 300 und ein System/eine Prozessausrüstung 301 zur Herstellung einer Außenschicht 29 beschrieben. (Es sei verstanden, dass dieses Verfahren 300 und das System/die Prozessausrüstung 301 einige der gleichen Merkmale wie das Verfahren 100 und das System/die Prozessausrüstung 101 aufweisen). Die Außenschicht 29 kann als erste Schicht 12 und/oder als zweite Schicht 18 verwendet werden. Die Außenschicht 29 kann mit oder ohne Graphen-Nanoplättchen 28 und mit oder ohne hohle Mikrokugeln 46 hergestellt werden, aber das Verfahren 300 und das System/die Prozessausrüstung 301 werden so beschrieben, als ob die optionalen Graphen-Nanoplättchen 28 und die hohlen Mikrokugeln 46 in der Außenschicht 29 enthalten wären. In Block 110 werden die Graphen-Nanoplättchen 28 in einem Lösungsmittel 64 dispergiert, um ein Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Gemisch 66 herzustellen. In Block 120 wird das Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Gemisch 66 in einem Ultraschallmischer 83 mit Ultraschall gemischt (und optional mit Wärme H erwärmt), um einen vorbestimmten Grad an Homogenität 68 zu erreichen. In Block 150 wird das Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Gemisch 66 mit einer Polymermatrix 70 kombiniert, um ein Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel/Polymermatrix-Gemisch 72 herzustellen. In Block 160 wird zumindest ein Großteil des Lösungsmittels 64 aus dem Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel/Polymermatrix-Gemisch 72 verdampft, um ein Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 herzustellen. In Block 170 wird das Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 in einem Tank oder versiegelten Behälter 87 gemäß einem Druckprofil 76 mit dem Druck P beaufschlagt. In Block 220 wird das Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 durch einen Dispersionskopf 89 (der an dem unter Druck stehenden Tank 87 angebracht ist) auf einem zweiten Trägerfilm 92 dispergiert, was zu der Kombination Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch/zweiter Trägerfilm 74+92 führt. In Block 230 werden Endlosfaserfilamente 94 oder -lagen 95 auf oder in das Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch/den zweiten Trägerfilm 74+92 gelegt, wodurch ein Zwischenprodukt 99 erzeugt und ein vorbestimmter Faservolumenanteil FVF im Zwischenprodukt 99 erreicht wird. Der Faservolumenanteil FVF ist ein Maß dafür, wie viel des Zwischenprodukts 99 aus den Endlosfaserfilamenten 94 oder -lagen 95 besteht, entweder nach Gewicht oder Volumen, und wird als Prozentsatz, Dezimalwert oder Bruchteil ausgedrückt. Die Endlosfaserfilamente 94 oder -lagen 95 können aus der Verstärkungsfaser 30, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. In Block 240 werden mit einem Perforationsschneidkopf 96 oder einem Laser 97 Perforationen 36 in den Endlosfaserfilamenten 94 oder -lagen 95 des Zwischenprodukts 99 erzeugt, wodurch ein zweites Gemisch/Trägerprodukt 98 entsteht. In Block 250 wird das zweite Gemisch/Trägerprodukt 98 in einem Ofen 84 erhitzt, um einen vorbestimmten Aushärtungsgrad 86 und/oder eine vorbestimmte Viskosität 88 für den Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemischanteil 74 des zweiten Gemischs/Trägerprodukts 98 zu erreichen. Und in Block 260 kann das zweite Gemisch/Trägerprodukt 98 zu einer Rolle 91 (d.h. einer Rolle des zweiten Gemischs/Trägerprodukts 98) gewickelt werden.
Das Verfahren 300 und das System/die Prozessausrüstung 301 können auch die Schritte umfassen, die durch die Blöcke 130 und 140 dargestellt werden, die oben in Bezug auf das Verfahren 100 und das System/die Prozessausrüstung 101 beschrieben wurden.
Unter Bezugnahme auf die 10-11 werden nun ein Verfahren 400 und ein System/eine Prozessausrüstung 401 zur gemeinsamen Herstellung einer Kernschicht 24 und einer Außenschicht 29 beschrieben. (Es sei verstanden, dass dieses Verfahren 400 und das System/die Prozessausrüstung 401 einige der gleichen Merkmale wie die Verfahren 100 und 300 und das Systeme/die Prozessausrüstung 101 und 301 aufweisen). Wie oben im Zusammenhang mit Verfahren 300, System/Prozessausrüstung 301 und den 8-9 erwähnt, kann die Außenschicht 29 mit oder ohne Graphen-Nanoplättchen 28 und mit oder ohne hohle Mikrokugeln 46 hergestellt werden, aber das Verfahren 400 und das System/die Prozessausrüstung 401 der 10-11 werden so beschrieben, als ob die optionalen Graphen-Nanoplättchen 28 und die hohlen Mikrokugeln 46 in der Außenschicht 29 enthalten sind. In Block 110 werden die Graphen-Nanoplättchen 28 in einem Lösungsmittel 64 dispergiert, um ein Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Gemisch 66 herzustellen. In Block 120 wird das Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Gemisch 66 mit Ultraschall gemischt, um einen vorbestimmten Grad an Homogenität 68 zu erreichen. In Block 150 wird das Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel-Gemisch 66 mit einer Polymermatrix 70 kombiniert, um ein Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel/Polymermatrix-Gemisch 72 herzustellen. In Block 160 wird zumindest ein Großteil des Lösungsmittels 64 aus dem Graphen-Nanoplättchen/Lösungsmittel/Polymermatrix-Gemisch 72 verdampft, um ein Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 herzustellen. In Block 170 wird das Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 gemäß einem Druckprofil 76 unter Druck gesetzt. In Block 180 wird das Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 auf einem ersten Trägerfilm 78 dispergiert. In Block 190 werden das Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 und der erste Trägerfilm 78 durch eine Rakelanordnung 80 geschickt, um eine vorbestimmte Dicke t_P des Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemischs 74 auf dem ersten Trägerfilm 78 zu erreichen, wodurch ein erstes Gemisch/Trägerprodukt 82 erzeugt wird. In Block 220 wird das Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 auf einem zweiten Trägerfilm 92 dispergiert. In Block 230 werden Endlosfaserfilamente 94 oder -lagen 95 auf oder in das Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemisch 74 auf dem zweiten Trägerfilm 92 gelegt, um einen vorgegebenen Faservolumenanteil FVF zu erreichen. In Block 240 werden mit einem Perforationsschneidkopf 96 oder einem Laser 97 Perforationen 36 in den Endlosfaserfilamenten 94 oder -lagen 95 erzeugt, wodurch ein zweites Gemisch/Trägerprodukt 98 entsteht. In Block 270 wird das erste Gemisch/Trägerprodukt 82 mit dem zweiten Gemisch/Trägerprodukt 98 gestapelt, z. B. durch Verwendung entsprechender Rollen 77, um das erste und zweite Gemisch/Trägerprodukt 82, 98 zu einer Doppelrollenanordnung 79 umzulenken, die das erste und das Gemisch/Trägerprodukt 82, 98 zusammen stapelt, um ein kombiniertes erstes und zweites Gemisch/Trägerprodukt 82+98 zu erzeugen. In Block 280 wird das zweite Gemisch/Trägerprodukt 98 zusammen mit dem ersten Gemisch/Trägerprodukt 82 in einem Ofen 84 erhitzt (indem das kombinierte erste und zweite Gemisch/Trägerprodukt 82+98 durch den Ofen 84 gefördert wird), um einen vorbestimmten Aushärtungsgrad 86 und/oder eine vorbestimmte Viskosität 88 für die Graphen-Nanoplättchen/Polymermatrix-Gemischanteile 74 sowohl des ersten als auch des zweiten Gemisch/Trägerprodukts 82, 98 zu erreichen. Und in Block 290 werden das gestapelte erste und zweite Gemisch/Trägerprodukt 82, 98 zu einer Rolle 93 (d.h. einer Rolle aus gestapelten ersten und zweiten Gemisch/Trägerprodukten 82, 98) gewickelt. Das Verfahren 400 und das System/die Prozessausrüstung 401 können auch die Schritte umfassen, die durch die Blöcke 130 und 140 dargestellt werden, die oben in Bezug auf das Verfahren 100 und das System/die Prozessausrüstung 101 beschrieben wurden.
Die obige Beschreibung dient der Veranschaulichung und ist nicht einschränkend. Die hier beschriebenen Abmessungen und Materialtypen sollen zwar illustrativ sein, sind aber keineswegs einschränkend und stellen beispielhafte Ausführungsformen dar. In den folgenden Ansprüchen dient die Verwendung der Begriffe „erste“, „zweite“, „oben“, „unten“ usw. lediglich als Kennzeichnung und soll keine numerischen oder positionellen Anforderungen an ihre Objekte stellen. Ein Element oder ein Schritt, der in der Einzahl genannt wird und dem das Wort „ein“ oder „eine“ vorangestellt ist, schließt die Mehrzahl solcher Elemente oder Schritte nicht aus, es sei denn, ein solcher Ausschluss wird ausdrücklich erwähnt. Außerdem sollten die Formulierung „mindestens eines von A und B“ und die Formulierung „A und/oder B“ jeweils so verstanden werden, dass sie „nur A, nur B oder sowohl A als auch B“ bedeuten. Darüber hinaus können Ausführungsformen, die ein Element oder eine Vielzahl von Elementen mit einer bestimmten Eigenschaft „umfassen“ oder „haben“, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, zusätzliche solche Elemente umfassen, die diese Eigenschaft nicht haben. Und wenn hier allgemein beschreibende Adverbien wie „im Wesentlichen“ und „im Allgemeinen“ verwendet werden, um ein Adjektiv zu modifizieren, so bedeuten diese Adverbien „zum größten Teil“, „in erheblichem Maße“ und/oder „in hohem Maße“ und bedeuten nicht notwendigerweise „perfekt“, „vollständig“, „strikt“ oder „ganz“. Darüber hinaus kann das Wort „nahe“ hier verwendet werden, um die Lage eines Objekts oder eines Teils davon in Bezug auf ein anderes Objekt oder einen anderen Teil davon zu beschreiben und/oder um die Positionsbeziehung zweier Objekte oder ihrer jeweiligen Teile zueinander zu beschreiben, und kann „nahe“, „benachbart“, „in der Nähe“, „nahe an“, „bei“ oder dergleichen bedeuten. Es sei auch verstanden, dass die in den 1 und 5 dargestellten x-, y- und z-Richtungen oder Achsen der Rechtsregelkonvention folgen und nominell Richtungen für Breite, Länge bzw. Höhe darstellen.
Die Flussdiagramme und Blockdiagramme in den Zeichnungen veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und/oder den Betrieb möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In dieser Hinsicht kann jeder Block in den Flussdiagrammen oder Blockdiagrammen ein Modul, ein Segment oder einen Teil des Codes darstellen, der eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Implementierung der angegebenen logischen Funktion(en) enthält. Es wird auch darauf hingewiesen, dass jeder Block der Blockdiagramme und/oder Flussdiagrammdarstellungen und Kombinationen von Blöcken in den Blockdiagrammen und/oder Flussdiagrammdarstellungen durch hardwarebasierte Systeme, die die angegebenen Funktionen oder Handlungen ausführen, oder Kombinationen aus Hardware und Computeranweisungen implementiert werden können. Diese Computerprogrammanweisungen können auch in einem computerlesbaren Medium gespeichert sein, das eine Steuerung oder ein anderes programmierbares Datenverarbeitungsgerät anweisen kann, in einer bestimmten Weise zu funktionieren, so dass die in dem computerlesbaren Medium gespeicherten Anweisungen einen Herstellungsartikel erzeugen, der Anweisungen zur Implementierung der in den Flussdiagrammen und Blockdiagrammen angegebenen Funktionen und/oder Handlungen enthält.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, einschließlich der besten Ausführungsform, um Fachleuten die Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen, Systemen und Stoffzusammensetzungen sowie die Durchführung von Verfahren gemäß dieser Offenbarung zu ermöglichen. Es sind die folgenden Ansprüche, einschließlich der Äquivalente, die den Umfang der vorliegenden Offenbarung definieren.
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 10113250 [0017]
US 2018/0016740 A1 [0017]

Claims

Polymere Sandwichstruktur mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit, umfassend: eine erste Schicht, die aus einer ersten Polymermatrix gebildet ist und eine erste Faserverstärkungslage enthält, die in die erste Polymermatrix eingebettet ist; eine zweite Schicht, die aus einer zweiten Polymermatrix gebildet ist und eine zweite Faserverstärkungslage enthält, die in die zweite Polymermatrix eingebettet ist; und eine dritte Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei die dritte Schicht aus einer dritten Polymermatrix gebildet ist, in die Graphen-Nanoplättchen eingestreut sind; wobei jede der ersten und zweiten Faserverstärkungslagen aus Verstärkungsfasern hergestellt ist und einen jeweiligen Satz von darin ausgebildeten versetzten diskontinuierlichen Perforationen aufweist, wobei jeder jeweilige Satz von versetzten diskontinuierlichen Perforationen eine jeweilige erste Vielzahl von Verstärkungsfasern mit einer jeweiligen ersten Länge und eine jeweilige zweite Vielzahl von Verstärkungsfasern mit einer jeweiligen zweiten Länge, die länger als die jeweilige erste Länge ist, definiert.
Polymere Sandwichstruktur nach Anspruch 1, wobei die Perforationen eine durchschnittliche Breite oder einen Durchmesser von etwa 10 bis 300 Mikrometern und eine durchschnittliche Dichte von etwa 100 bis 60.000 Perforationen pro Quadratmeter aufweisen.
Polymere Sandwichstruktur nach Anspruch 1, wobei die polymere Sandwichstruktur wirksam ist, um zu ermöglichen, dass jede der ersten, zweiten und dritten Polymermatrizen von (i) einer ersten Temperatur beim Platzieren der polymeren Sandwichstruktur in einer beheizten Form, wobei die erste Schicht in Kontakt mit der beheizten Form ist, auf (ii) mindestens eine vorbestimmte zweite Temperatur durch kontinuierliche Aufbringung von Wärme von der beheizten Form auf die erste Schicht in 20 % bis 50 % weniger Zeit erhitzt wird, als wenn die dritte Polymermatrix die Graphen-Nanoplättchen nicht enthalten würde.
Polymere Sandwichstruktur nach Anspruch 1, wobei die dritte Polymermatrix mindestens 50 Vol.-% hohle Mikrokugeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 10 bis 100 Mikrometern enthält.
Polymere Sandwichstruktur nach Anspruch 4, wobei die hohlen Mikrokugeln hohle Glasmikrokugeln sind und wobei die dritte Polymermatrix etwa 0,46 g/cm³ an hohlen Glasmikrokugeln enthält.
Polymere Sandwichstruktur nach Anspruch 1, wobei jede der ersten und zweiten Polymermatrizen eine duroplastische Harzmatrix enthält und wobei jede der ersten und zweiten Faserverstärkenden Lagen ein Prepreg ist, das mit der duroplastischen Harzmatrix imprägniert ist.
Polymere Sandwichstruktur nach Anspruch 1, wobei jede der ersten und zweiten Polymermatrizen ein thermoplastisches Polymer mit mindestens 25 Vol.-% an geschnittenen Fasern enthält.
Polymere Sandwichstruktur nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsfasern Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern oder eine beliebige Kombination davon umfassen.
Polymere Sandwichstruktur nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Polymermatrizen darin eingestreute Graphen-Nanoplättchen enthält.
Polymere Sandwichstruktur nach Anspruch 1, ferner umfassend eine vierte Schicht, die auf einer Oberfläche der zweiten Schicht gegenüber der dritten Schicht angeordnet ist, wobei die vierte Schicht aus einer vierten Polymermatrix gebildet ist, in die Graphen-Nanoplättchen eingestreut sind.