Leitfähige CFK-Möglichkeiten zur Funktionsintegration

Im Leichtbau setzt man Carbonfasern (CF) wegen ihrer extremen Festigkeit und Steifigkeit ein. Für den  Anwender von CFK war die Leitfähigkeit der CF bisher eine eher neutrale Eigenschaft; für den Verarbeiter ist sie sogar ein Problem, da Maschinen- und Anlagenteile vor elektrischen Kurzschlüssen geschützt werden müssen. Andererseits steht außer Frage, dass CFK sehr niedrigohmig sind und damit ein Potenzial für die Integration von Zusatzfunktionen auf Basis der elektrischen Leitfähigkeit bieten, welches bisher kaum beachtet und im Hinblick auf die Funktionsintegration nicht systematisch untersucht wurde. Ziel war es deshalb, die grundlegenden Zusammenhänge der Prozessführung bei der Fertigung, den mikro- und makroskopischen Materialeigenschaften und deren Auswirkungen auf die elektrische Leitfähigkeit und die schirmenden Eigenschaften von CFK zu untersuchen.

Ergebnisse

Das erarbeitete Know-how kann wie folgt zusammengefasst werden:

• Die elektrische Leitfähigkeit von CFK wird von der Verbundmorphologie, die wiederum von den Herstellungsprozessen dominiert wird, bestimmt. Dazu zählen: die Faserlänge und der Fasergehalt an CF, die das leitfähige Fasernetzwerk bilden, die Faserorientierung, die Art der Matrix, die Oberflächenbeschaffenheit (matrixreich/matrixarm) und die Verbunddichte (Porengehalt).
• Bei kurzfaserverstärkten CFK liegt der kritische Fasergehalt für die Ausbildung eines leitfähigen Netzwerkes bei ca. 10 Vol%. Darunter sind diese Werkstoffe antistatisch bis ladungsableitend (10⁴ Ω bis 10⁹ Ω); darüber elektrisch leitfähig (10² Ω bis 10³ Ω).
• Langfaserverstärkte CFK enthalten verfahrensbedingt Faservolumengehalte zwischen 20 und 30 Vol%. Daraus resultieren elektrische Widerstände kleiner 10³ Ω.
• In Abhängigkeit vom Fasergehalt kann die Funktion Heizen erfüllt werden. Oberflächentemperaturen bis 100°C und Heizleistungen größer 1000 W/m² sind realisierbar.
• Die hohe elektrische Leitfähigkeit bildet die Grundlage für hohe Dämpfungseigenschaften. Organobleche erreichen mit ca. 80 dB für Kunststoffe eine sehr gute Transmissionsdämpfung im Frequenzbereich von 40 MHz - 8200 MHz (ASTM ES 7/83) und hohe Schirmdämpfungen von 40 bis 50 dB (VG 95373/T15).
• Für die Kontaktierung der CFK zum Einleiten vom Strömen wurden unterschiedliche Möglichkeiten  untersucht: Beschichten mit Leitlack, Aufkleben / Aufpressen von leitfähigen Folien, Integration  von metallischen Folien, Drähten, Geweben, leitfähigen Schäumen und textilen Bändern, Nähen/Sticken mit leitfähigen Garnen/Feindrähten.