EP2900457A1 - Vorrichtung zur ableitung von wärme - Google Patents

Vorrichtung zur ableitung von wärme

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Publication number
EP2900457A1
EP2900457A1 EP13766546.9A EP13766546A EP2900457A1 EP 2900457 A1 EP2900457 A1 EP 2900457A1 EP 13766546 A EP13766546 A EP 13766546A EP 2900457 A1 EP2900457 A1 EP 2900457A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pitch
fibers
carbon fibers
based carbon
cells
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13766546.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Glowania
Thomas Gries
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of EP2900457A1 publication Critical patent/EP2900457A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/88—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts characterised primarily by possessing specific properties, e.g. electrically conductive or locally reinforced
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D24/00—Producing articles with hollow walls
    • B29D24/002—Producing articles with hollow walls formed with structures, e.g. cores placed between two plates or sheets, e.g. partially filled
    • B29D24/005—Producing articles with hollow walls formed with structures, e.g. cores placed between two plates or sheets, e.g. partially filled the structure having joined ribs, e.g. honeycomb
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
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    • B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form
    • B32B3/10—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a discontinuous layer, i.e. formed of separate pieces of material
    • B32B3/12—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a discontinuous layer, i.e. formed of separate pieces of material characterised by a layer of regularly- arranged cells, e.g. a honeycomb structure
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    • B32B5/24—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/26—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer another layer next to it also being fibrous or filamentary
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29L2031/60—Multitubular or multicompartmented articles, e.g. honeycomb
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/10—Inorganic fibres
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/30—Properties of the layers or laminate having particular thermal properties
    • B32B2307/302—Conductive

Definitions

  • the invention relates to a device for dissipating heat formed by a plurality of interconnected walls defining a plurality of cells.
  • the present invention relates to a honeycomb construction and a composite construction in sandwich construction.
  • thermally conductive honeycomb structures for heat dissipation of components
  • UD 40400 / SAM AL Thermal conductivity in the thickness direction of components made of fiber-reinforced plastics are not brought into the required in aviation area of about 10 W / mK. For example, components such as the tail boom of helicopters overheat due to increased turbine performance.
  • Object of the present invention was therefore to provide a device with improved
  • a device for dissipating heat having a plurality of interconnected walls forming a plurality of cells, at least a portion of the cells comprising a non-metallic thermally conductive core, the core having a plurality of thermally conductive pitch -based carbon fibers containing a polymeric sheath.
  • Further objects of the invention relate to a composite construction in layer structure, in particular a so-called sandwich lightweight component, comprising such a device and at least one cover layer and a method for producing a device for dissipating heat.
  • Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
  • the device according to the invention it is provided that at least a part of the cells contain a thermally conductive core.
  • the device may be formed entirely with cells, each containing a thermally conductive core, or having both unfilled and cored cells.
  • thermally conductive pitch-based carbon fibers encased in a polymer, an extremely large increase in the thermal conductivity of the device can be achieved.
  • the device is honeycomb-shaped, with the plurality of interconnected walls forming a plurality of honeycomb cells.
  • the device is a thermally conductive honeycomb structure.
  • the device comprising a plurality of interconnected walls forming a plurality of cells, in particular as a holding device for the
  • Such a supporting effect can also be provided by another structure such as a textile, for example a spacer textile.
  • honeycomb structures Preference is given to honeycomb structures. These are for the standardized production of
  • Honeycomb core sandwich panels are known and commercially available. Lightweight honeycomb panels can be made by known methods, such as the so-called expansion method used, for example, for honeycomb of polyamide paper, or the profiling method used to make honeycomb structures of greater strength, such as aluminum. Both materials are processed into a honeycomb structure as strip material passing from a roll.
  • the device may also have other than a honeycomb-shaped geometry, and form, for example, round or square cells.
  • the non-metallic thermally conductive core may have different geometry, and for example, have hexagonal, rectangular or square or circular cross-sections.
  • round cross sections of the cores fit very well to the hexagons of a honeycomb structure. A direct production in the form of honeycomb or structural geometry is thus possible with simple tools.
  • carbon fibers is to be understood as meaning industrially produced fibers from carbonaceous starting materials.
  • pitch-based carbon fibers is to be understood as referring to carbon fibers for which pitch is the starting material.
  • the use of pitch as a starting material allows in particular the production of fibers with high rigidity.
  • the pitch-based carbon fibers are high stiffness (HM, high modulus) fibers or ultra high stiffness (UHM, ultra high modulus) fibers.
  • These fibers have a high thermal conductivity, for example in the range from 120 W / mK to 1200 W / mK, preferably in the range from 320 W / mK to 1200 W / mK, preferably in the range from 500 W / mK to 1200 W / mK.
  • pitch-based carbon fibers available
  • pitch-based carbon fibers are available, for example, available from Mitsubishi Plastics Incorporation under the designation K13D2U and K13C2U, or available from Nippon Graphite Fiber Corporation under the designation YS-90A and XN-90. These have a thermal conductivity above 500 W / mK.
  • the cells have a longitudinal direction (L) extending transversely relative to the walls and a thickness direction (T) extending parallel to the walls.
  • the thermally conductive pitch-based carbon fibers are oriented such that the fibers permit directional heat transfer through the device.
  • Such directionally controlled heat conduction through the device can be achieved by unidirectional alignment of the fibers parallel to or in the thickness direction of the structure.
  • the fibers are substantially in
  • Thickness direction of the cells aligned. It is advantageous if as many fibers are aligned in the thickness direction. If the thermally conductive fibers are aligned parallel to the thickness direction of the cells, a particularly good thermal conductivity in the thickness direction can be provided. In addition, it is advantageous if the
  • Material behavior is anisotropic, with an emphasis in the axial direction.
  • the heat flow is thereby guided more strongly and losses in the radial direction (in plane) are kept low.
  • substantially in this context means in the sense of the invention, in particular, that the fibers are aligned substantially parallel to the thickness direction of the cells
  • the angle of orientation may vary
  • the orientation in the thickness direction is such that the conduction path does not undergo any significant extension.
  • individual carbon fibers or filaments are usually combined into what are known as rovings, which usually form bundles of endless, untwisted, elongated individual filaments 1K, 3K, 6K, 12K, 24K, 48 and 50K, respectively, or 80K, where 1K means that 1000 filaments are gathered into one strand.
  • the fibers are in the form of
  • Fiber bundles arranged. Before filling the cells, in particular the honeycomb cells, with the fibers, preferably fiber bundles, these are preferably further bundled and / or compacted. This bundling can be provided by the sheathing. As a result, it is advantageously possible to produce a structure that can be subjected to mechanical bending, tensile and compressive forces from unidirectionally oriented fibers.
  • only the outer fibers or fiber bundles have a sheath. It is particularly preferred that no polymer penetrate into the interstices between the rovings or fibers. Since the polymers are a very small
  • a wrap around the outer rovings or filaments may support the fiber (s).
  • the sheath can thus provide sufficient stabilization of the very brittle pitch-based carbon fibers. These can thereby achieve an increase in the knot strength according to DIN 53842 of more than 70% of the achievable without coating knot strength. If the fibers are included in a polymer matrix, good protection against fiber breakage can be ensured. The fact that the protected fibers are introduced into the interior of the cells, in particular honeycomb cells, in this case, furthermore, the established design for honeycomb structures can be used. This allows a cost-effective production.
  • the polymeric sheathing of the fibers or fiber bundles can be formed by a thermoplastic shrink tube, a foil sheath, a thermoplastic, thermosetting or elastomeric coating, or a thermoplastic sheath which can be applied, for example, by means of friction spinning.
  • the fibers or fiber bundles of the pitch-based carbon fibers may be compacted in a thermoplastic shrink tube or by a foil jacket.
  • the sheathing of the fibers not only protects against fiber breakage
  • the fibers or fiber bundles of the pitch-based carbon fibers may be coated with a thermoplastic, thermoset or elastomeric polymer. Such a coating enables a simplified, in particular automated, handling of the fibers.
  • a jacket with polymer can also be provided by the fact that the pitch fibers can be introduced into a stable, that is, for example, hardening structure.
  • Thermally conductive honeycomb structures are, for example, in tail booms of
  • Helicopters for heat dissipation can be used to protect the component from overheating due to increased turbine performance.
  • the polymer useful for stabilizing the brittle pitch-based carbon fibers should therefore be resistant to component temperatures.
  • the polymer is stable up to a temperature of 180 ° C, preferably up to 160 ° C.
  • thermoplastic polymer may be selected from the group comprising
  • PES Polyethersulfone
  • PEI polyetherimide
  • PSF polysulfone
  • PAI polyamide-imide
  • PI polyimide
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PER aromatic polyesters
  • Polyether ketones in particular polyaryletherketones (PAEK) and polyetheretherketone (PEEK).
  • Preferred are polyetheretherketone and polyphenylene sulfide.
  • a thermosetting polymer may be selected from the group comprising epoxides, phenols, polyurethanes, polyesters and / or aminoplasts. Preference is given to epoxides and phenolic resins. Further, the fibers or fiber bundles of the pitch-based carbon fibers may be wrapped with a thermoplastic sheath applied by friction spinning.
  • the advantages lie in easy-to-implement automation and continuous processing.
  • the polymer contains ground carbon fibers or short-cut carbon fibers, in particular pitch-based fibers, to increase the thermal conductivity.
  • the polymer has a content in the range of 40% to 50% Wt .-%, based on the total weight of fibers and polymer, of ground fibers.
  • the walls of the device for dissipating heat are formed from a material selected from the group comprising aramid, paper, aluminum, aluminum alloys, copper and / or stainless steel. It can be provided that the walls are made of light metals such as aluminum or aluminum alloys or copper. With walls formed of metal, even higher thermal conductivity values can be achieved, since they also conduct in this case. Aluminum makes it possible to achieve very thin and light structures. Especially in the aerospace industry comes
  • devices for dissipating heat in particular honeycomb structures, can be made available that have no electrical conductivity.
  • the walls are formed of a non-metallic material, in particular aramid.
  • honeycomb formed of non-metallic materials such as aramid provide very lightweight honeycomb, resulting in a significant
  • Weight advantage results. This results in a high lightweight construction potential of the structure.
  • aromatic polyamides polyaramides
  • long-chain synthetic polyamides where at least 85% of the amide groups are bonded directly to two aromatic rings Position of the carboxyl and amine groups on the monomer ring.
  • Aramid structures have good
  • aramid forms in particular very lightweight honeycombs. Aramid is, for example, among the
  • the thermal conductivity of a device for dissipating heat in particular a honeycomb structure whose cells have a core of pitch-based carbon fibers, can be in the range of> 3 W / mK to ⁇ 40 W / mK, preferably in the range of> 15 W / mK to ⁇ 35 W / mK, preferably in the range of> 20 W / mK to ⁇ 30 W / mK.
  • an aramid honeycomb filled with pitch-based carbon fibers had an out-of-plane thermal conductivity of 26 W / mK as measured by ASTM Standard E 1225-04.
  • the device according to the invention for dissipating heat in particular honeycomb structure, an exceptionally good heat conduction with a very low specific weight and the simultaneous ability to maintain the established design of the aerospace provide.
  • the device also has good mechanical properties.
  • the cores can either be steered or endlessly inserted into the cells and
  • the device can thus be completely formed with filled cells, or have both unfilled and filled cells.
  • the device according to the invention in particular a honeycomb structure, can be used for
  • the device for dissipating heat, in particular honeycomb structure, into a composite construction in layer structure, in particular in the so-called sandwich construction in a so-called sandwich component installed can, by a combination with one or two cover layers per honeycomb structure, the heat in the Plane (in plan) of the construction or into this into or distributed.
  • Another object of the invention accordingly relates to a composite structure in sandwich structure or in sandwich construction, in particular a so-called sandwich lightweight component, comprising a device according to the invention for dissipating heat, in particular a honeycomb structure, and at least one cover layer.
  • the layer structure allows a controlled and directed heat transfer through the
  • the composite construction may include at least one or more
  • cover layer or “cover layer” are used synonymously in the present case. At least one cover layer applied to a plane of the
  • Honeycomb construction enables the construction of a composite construction in a sandwich structure in the usual sandwich construction.
  • cover layers may be attached to each other, or the device, in particular the honeycomb structure may on the top and bottom one
  • Cover layer have.
  • a single device, in particular honeycomb layer between two cover layers can be used for heat dissipation.
  • the composite construction can dissipate heat in the thickness direction (out-of-plane) as well as in the plane (in plane).
  • the cover layer may be a textile cover layer, preferably selected from the group consisting of fabric, scrim, unidirectional, nonwoven, braid, tape, wide fabric and / or prepreg.
  • a cover layer is formed of glass, carbon, aramid and / or Basalt fibers, in particular from the glass, carbon and aramid fibers, which are also referred to as high-performance fibers. These can provide the respectively required component strength or structure.
  • a resin layer can be applied to the device, in particular honeycomb. This can increase the connection to a cover layer, further stiffen the structure and / or provide a homogeneous surface. Alternatively it can be provided that only a resin layer is applied to the device in particular honeycomb structure, which can serve as cover layer. Fillers such as milled carbon fibers, especially pitch-based fibers, may be added to the resin layer. This boosts the
  • the resin can be in the range of> 1 wt .-% to ⁇ 60 wt .-%, preferably in the range of> 20 wt .-% to ⁇ 50 wt .-%, for example, a content of 50 wt .-%, based on the total weight of resin and fibers, ground carbon fibers and short cut.
  • the pitch-based carbon fibers are longer than the thickness of the honeycomb. This allows the fiber ends of the pitch-based carbon fibers to protrude into one or both cover layers according to a preferred embodiment of the invention.
  • Fibers Longer than prepared in cell or honeycomb height fibers allow integration in one or both cover layers. This provides a continuous connection of the sandwich filling with the cover layers. In this way, delamination of the cover layers from the core structure can be counteracted. Delamination of the topsheets from the intervening cells or honeycombs is the most common failure mode of sandwich structures. Furthermore, the fibers can disperse heat provided they are deflected in-plane in the topsheet. This embodiment allows a fan-like recording of the heat on a sandwich side, the line through the core and then the Fan-like distribution on the second sandwich side with simultaneously high mechanical properties and a low specific weight.
  • a further subject matter of the invention relates to a method for producing a device according to the invention for dissipating heat, comprising the steps:
  • non-metallic thermally conductive cores comprising a plurality of thermally conductive pitch-based carbon fibers by sheathing the pitch-based ones
  • Preferred is a method for producing a thermally conductive honeycomb structure, comprising the steps:
  • non-metallic thermally conductive cores comprising a plurality of thermally conductive pitch-based carbon fibers by sheathing the pitch-based ones
  • Filling the or at least part of the cells with cores containing pitch-based carbon fibers can provide very high thermal conduction in the thickness direction.
  • Prior to filling the cells with pitch-based carbon fibers in particular fiber bundles preferably of high modulus (HM) or ultra high modulus (UHM) fibers, these are preferably bundled in a first step.
  • the non-metallic thermally conductive core comprising a plurality of thermally conductive pitch-based carbon fibers is formed by sheathing the pitch-based carbon fibers with a polymer.
  • the bundling can, for example, with a shrink tube, a
  • Polymer film a coating or by friction spinning can be realized.
  • the fibers or fiber bundles of the pitch-based carbon fibers are encased with a shrink tube or a polymer film.
  • shrink tubing the fiber bundles are inserted into a thermoplastic shrink tube. Subsequently, the tube is shrunk by means of hot air. As a result, the individual rovings within the
  • Heat shrink tubing compacted The sheath of the fibers can not only ensure protection against fiber breakage, but also serve to compact the material as far as possible. Preferably, there are no or almost no air pockets.
  • the fibers or fiber bundles of the pitch-based carbon fibers are coated with a thermoplastic, thermosetting or elastomeric polymer.
  • a thermoplastic or thermoset When coating single or multiple rovings, similar to the pultrusion process, coated with a thermoplastic or thermoset.
  • Ideal is a polymer film applied around the outer filaments which supports the fiber (s). As a result, a reduction in the thermal conductivity can be largely avoided by the polymer.
  • the fibers or fiber bundles of the pitch-based carbon fibers by means of friction spinning with a coated thermoplastic polymer.
  • the friction spinning process winds short cut thermoplastic fibers around the fibers. After winding, the short fibers are melted with hot air or with an alternative heat input. It forms, as in the other preferred methods, a polymeric sheath around the core of pitch-based carbon fibers.
  • the encasing of the pitch-based carbon fibers is formed by introducing the pitch fibers into a thermosetting polymer structure. This has the advantage that the pitch fibers are introduced into a stable structure.
  • symbolized material cross sections of the prepared UHM fibers obtainable by the alternative methods of forming the core are identical in principle.
  • the benefits of coating and friction spinning lie in easy-to-implement automation and continuous processing.
  • processing of lengths in the range of 200 mm to 300 mm is preferred, in particular due to the brittleness of UHM fibers.
  • the hybrid materials can either be controlled by a measure or infused endlessly into the cells, in particular honeycomb cells, and then shortened to size. This method allows you to selectively fill or release cells.
  • the modified structure can thus be used for standardized sandwich production with cover layers, for example of prepreg material, or can already be used in this form as an out-of-plane heat conductor.
  • a resin layer can be applied to the device, in particular honeycomb, which increases the connection to the cover layers, further stiffening the structure and / or ensures a homogeneous surface. Fillers such as milled pitch-based carbon fibers may be added to this resin layer to increase the thermal conductivity of the polymer.
  • Fiber ends of the pitch-based carbon fibers in one or more cover layers to form a composite construction brings.
  • the UHM fibers can distribute the heat, provided that they are deflected in the cover layer in the in-plane direction.
  • the proposed solution allows a fan-like absorption of the heat on a sandwich side, the conduction through the core and then the fan-like distribution on the second sandwich side with simultaneously high mechanical properties and a low specific weight.
  • Another object of the invention relates to the use of a device according to the invention for the dissipation of heat, in particular a thermally conductive
  • Honeycomb structure or a composite construction in layer structure for heat dissipation of components, especially in aerospace or automotive engineering.
  • Device according to the invention for dissipating heat in particular thermally conductive honeycomb structure, or the composite construction are basically universally applicable.
  • metal parts can be replaced in aerospace, resulting in a significant weight advantage.
  • Preferred uses are found particularly in tail booms of helicopters, rims and brakes of automobiles, light-emitting diodes (LEDs), satellite structures or electric vehicles with components made of fiber composite material. In particular, electric vehicles with smaller
  • Internal combustion engines can be equipped including exhaust system, can from a Benefit heat dissipation by means of the honeycomb structures or composite construction according to the invention.
  • automobiles in the area of the brake, including the rims can profit from this because a lot of heat is generated in these areas.
  • FIG. 1 shows schematically the production steps of a sandwich composite structure with honeycomb structure and a filling with pitch-based carbon fibers in out-of-plane direction and cover layers.
  • a honeycomb structure 1 having a plurality of interconnected walls 2 forming a plurality of honeycomb cells 4 is provided.
  • honeycomb cells 4 of the honeycomb structure are non-metallic thermally conductive cores 6, which is formed from coated with a polymer by shrink tubing UHM fibers introduced.
  • thermally conductive honeycomb structure 1 are on both sides
  • Cover layers 8 applied, whereby a composite structure is produced in sandwich construction.
  • a plate formed of an aramid honeycomb having a cell size of 0.47625 mm (PN2, Plascore GmbH & Co KG) was submitted.
  • the honeycombs were pitch-based
  • Carbon fibers of the type K13D2U (Mitsubishi Plastics Incorporation, Tokyo, Japan) filled the material properties shown in Table 1. Table 1: Carbon fibers
  • 34 rovings were introduced into a thermoplastic shrink tube (9.5 / 4.8, 3M Germany GmbH) and shrunk at over 120 ° C by means of hot air.
  • each honeycomb cell was prepared with 34 rovings K13D2U with the
  • Densely hardener (at 25 ° C) [g / cm 3 ] 0,93 - 0,98
  • Viscosity hardener (at 25 ° C) [mPas] 10 - 50
  • test panel achieved in measurements (Center for Composite Materials of the University of Delaware, USA) based on the ASTM standard E 1225-04, on average an out-of-plane thermal conductivity of 26 W / mK. Compared with the out-of-plane
  • Thermal conductivity of PAN carbon fiber reinforced plastic of 0.7 W / mK is a 37-fold increase.

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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

Vorrichtung zur Ableitung von Wärme
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
UD 40400 / SAM:AL 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 Pechbasierten 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. Ideal ist 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 Ausfuhrungsform 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 Figur 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
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 100 : 30 (Harz : Härter)
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
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.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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).
6. Verbundkonstruktion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Faserenden der Pech-basierten Kohlenstofffasern in eine oder beide Deckschichten (8) hineinragen.
7. 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.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man die Fasern oder Faserbündel der Pech-basierten Kohlenstofffasern mit einem Schrumpfschlauch oder einer Polymerfolie ummantelt.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
EP13766546.9A 2012-09-28 2013-09-26 Vorrichtung zur ableitung von wärme Withdrawn EP2900457A1 (de)

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