Einleitung
CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) und GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) sind aufgrund ihrer einzigartigen Materialeigenschaften in zahlreichen Hightech-Anwendungen unverzichtbar. Zentrale Eigenschaften sind ihre hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Zusammen mit ihrer geringen WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit macht sie das für Hightech-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau oder bei der Elektronik ideal. Dabei spielen die richtungsabhängigen (anisotropen) thermischen Eigenschaften in der Anwendung eine besondere Rolle, da die Wärmeleitfähigkeit entlang der Fasern höher ist als quer dazu. Durch den Schichtaufbau können die Fasern so orientiert werden, dass entweder Wärme gezielt abgeleitet oder Bereiche effektiv thermisch isoliert werden. Diese Flexibilität ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen, etwa zur Minimierung von Temperaturschwankungen in Satelliten oder zur Wärmeregulierung in Batterien.
Messbedingungen und -ergebnisse
Für die Bestimmung der thermischen Eigenschaften eignet sich insbesondere die Laser/Light Flash Analyse. Primär wird die richtungsabhängige TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit bestimmt, z. B. mit der LFA 717 HyperFlash®. Daraus kann anschließend mit Hilfe der Daten zur DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte und spezifischen Wärmekapazität die ebenfalls richtungsabhängige Wärmeleitfähigkeit berechnet werden. In Tabelle 1 sind die Messbedingungen zusammengefasst.
Tabelle 1: Messparameter
| Analysegerät | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Probengröße | 10 mm x 10 mm x 2,5 mm – through-plane Mehrere Streifen mit 10 mm x 2,5 mm – in-plane |
| Probenhalter | 10 mm quadratisch – through-plane 10 mm Laminatprobenhalter – in-plane |
| Temperaturpunkte | 20 bis 150 °C in 10 K-Schritten |
| Atmosphäre | 100 ml/min, N2 |
Abbildung 1 zeigt die Temperaturleitfähigkeit von GFK through-plane (senkrecht zur Faserrichtung) und inplane (parallel zur Faserrichtung). Die Temperaturleitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur leicht ab. Zwischen 110 °C und 130 °C ist eine kleine Änderung der Steigung erkennbar, was auf den Glasübergang der polymeren Matrix hindeutet. Die Temperaturleitfähigkeit in-plane ist um ca. 35 bis 40 % höher als in through-plane-Richtung.
Ein CFK-Werkstoff ist auf ähnliche Weise in Abbildung 2 dargestellt. Auch hier ist die Temperaturleitfähigkeit in-plane höher als through-plane.
Beim CFK-Material ist der Unterschied zwischen den Richtungen nochmals deutlich höher als beim GFK-Material. Allerdings nicht 35 bis 40 % wie bei der GFK-Probe, sondern 500 bis 600 %. Dieser auffallende Unterschied liegt an den Kohlestofffasern, die eine wesentlich höhere Temperaturleitfähigkeit besitzen als die Glasfasern.
Besonders anschaulich ist dies in Abbildung 3 dargestellt, die alle Messungen zusammenfasst.
Fazit
Die LFA-Methode kann die Temperaturleit- und Wärmeleitfähigkeit auch richtungsabhängig bestimmen und liefert somit wichtige Daten zu Auslegung und Konstruktion von Hightech-Anwendungen.