Einleitung
Faserverstärkte Kunststoffe weisen eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht auf. Dies macht sie zum Beispiel als Konstruktionswerkstoff für die Automobilindustrie immer interessanter. Um Prozesszeiten bei der Herstellung zu optimieren, ist die 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 dieser Materialien eine wichtige Kenngröße. Sie hängt nicht nur von der Temperatur, sondern auch von der Orientierung des Verstärkungsmaterials ab.
Mittels LFA 467 HyperFlash® kann die Wärmeitfähigkeit von anisotropen Materialien in verschiedene Raumrichtungen einfach, schnell und temperaturabhängig bestimmt werden.
Proben- und Versuchsdurchführung
Untersucht wurde kohlenstofffaserverstärktes Epoxidharz. Dabei lagen sowohl unidirektional* als auch bidirektional** verstärkte Proben vor. Die 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 wurde senkrecht und parallel zur Faserrichtung analysiert. Die Messungen erfolgten mit dem Standardprobenhalter (12,7 mm quadratisch) zwischen 120 °C und 200 °C in 20 K-Schritten. Die Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.spezifische Wärmekapazität wurde mit der DSC 204 F1 Phoenix® bestimmt.
* unidirektional: alle Fasern des Verstärkungsmaterials liegen parallel zueinander
**bidirektional: die Fasern des Verstärkungsmaterials sind über Kreuz angeordnet, z.B. 0° und 90°
Ergebnisse und Diskussion
In Abbildung 1 ist die Wärmeleitfähigkeit der unidirektional (schwarz) und bidirektional (rot) verstärkten Kunststoffproben dargestellt. Die unidirektional verstärkte Probe, in Faserrichtung gemessen (schwarz, Punkte), weist die höchste Wärmeleitfähigkeit auf, da alle Fasern in Messrichtung ausgerichtet sind. Die bidirektional verstärkte Probe, ebenfalls in Faserrichtung gemessen, liegt darunter. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Kohlefasern in Faserrichtung (Punkte) zeigen beide Proben eine 7- bis 12-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als senkrecht zur Faserrichtung (Rauten). Senkrecht zur Faserrichtung liefern beide Proben annähernd identische Werte, da die Orientierung der Fasern in der Ebene senkrecht zur Messrichtung auf die Wärmeleitfähigkeit nahezu keinen Einfluss hat.
Zusammenfassung
Für spezielle Messaufgaben, z.B. Messungen an Flüssigkeiten, Pulvern, dünnen Metallfolien etc. stehen der LFA 467 HyperFlash® eigens für diese Zwecke entwickelte Probenhalterungen zur Verfügung. Zur Untersuchung einer faserverstärkten Kunststoffprobe in unterschiedlichen Faserrichtungen findet zum Beispiel der Laminatprobenhalter Anwendung. Die aufgrund der eingebetteten Fasern auftretende Anisotropie in den thermophysikalischen Eigenschaften, d.h. sowohl in der 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 als auch in der Wärmeleitfähigkeit, lässt sich damit einfach und komfortabel bestimmen.