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Elektrisch leitfähige und interleaf-modifizierte Ruß-Epoxid-Kohlenstofffaser Prepreglaminate mit erhöhtem Blitzschlagwiderstand

Epoxid-Kohlenstofffaser-Prepregs finden in der zivilen Luft- und Raumfahrtindustrie aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen, thermo-mechanischen und thermischen Eigenschaften zunehmend Anwendung zur Herstellung von Strukturverbundbauteilen. Obwohl Kohlenstofffasern elektrisch leitfähig sind, weisen aus Epoxid-Kohlenstofffaser-Prepreg hergestellte Bauteile aufgrund der isolierenden Natur der Epoxidmatrix oft nur sehr geringe elektrische Leitfähigkeiten in z-Richtung auf. Die verbesserte elektrische Leitfähigkeit in z-Richtung ist jedoch für moderne Verbundanwendungen notwendig, bei denen ein gewisses Maß an elektrostatischer Ableitung, elektromagnetischer Abschirmung oder eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Blitzeinschläge erforderlich ist.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit der Untersuchung des Einflusses leitfähiger Rußnanopartikel auf die elektrische Leitfähigkeit und die Bruchzähigkeit eines für die Luftund Raumfahrt relevanten Epoxidharzes und seiner unidirektionalen Kohlenstofffaser Prepreg-Laminate. Die Beziehung zwischen dem Faservolumengehalt und der elektrischen Leitfähigkeit der reinen Laminate wurde umfassend charakterisiert. Darüber hinaus wurde der Einfluss eines PA6.6-Vlieses auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Laminate detailliert erforscht. Schließlich wurde die Korrelation zwischen der elektrischen Leitfähigkeit (in z-Richtung) und der Beständigkeit gegen Blitzschlag von mit PA6.6-Vlies modifizierten Laminaten untersucht. Obwohl Kohlenstoffnanoröhren und Graphen eine höhere elektrische Leitfähigkeit als einzelne Nanopartikel versprechen, zeigten laut ausführlicher Literaturrecherche Rußnanopartikel auch ein großes Potenzial, um leitfähige Verbundwerkstoffe bei einem niedrigen Nanopartikelgehalt zu erzielen. Die Zugabe von bis zu 2 Gew.-% Ruß im Epoxidharzsystem führte zu einem Übergang von einem isolierenden (≈ 7.10^-12 S/m) hin zu einem ausreichend elektrisch leitfähig Verhalten (10^-4 S/m).

Bei den Laminaten ohne das PA6.6-Vlies und die Rußnanopartikel wurde die elektrische Leitfähigkeit hauptsächlich durch die Kohlenstofffaserkontakte realisiert (≈ 10^-1 S/m bei 54 vol.% Faservolumengehalt). Erstmalig wurde eine exponentielle Beziehung zwischen dem Faservolumengehalt und der elektrischen Leitfähigkeit von Laminaten (in z-Richtung) aufgezeigt.

Obwohl das PA6.6 Vlies als Interleaf die Bruchzähigkeit fast verdoppelte, reduzierte es die elektrische Leitfähigkeit in z-Richtung deutlich (von ≈ 10^-1 S/m bis 10^-4 S/m). Rußnanopartikel erhöhten die elektrische Leitfähigkeit der mit PA6.6-Vlies modifizierten Laminate erheblich (von 10^{- 4} S/m auf 1 S/m bei 2 Gew.-% Nanopartikelgehalt in der Matrix), indem sie als leitende Brücke in den harzreichen interlaminaren Bereichen wirken. Neben der erhöhten Leitfähigkeit beeinträchtigen Rußnanopartikel weder die Verarbeitbarkeit der Prepregs noch die thermo- mechanischen und mechanischen Eigenschaften der konsolidierten Prepreg Laminate.

Eine durch erhöhte z-Richtung elektrische Leitfähigkeit von Laminaten reduziert die Schädigung nach 20 kA Blitzschlag deutlich. Folglich zeigen Laminate, die aus PA6.6 Vlies zusammen mit Rußnanopartikeln (2 Gew.-%) bestehen, eine ausgezeichnete Kombination der interlaminaren Bruchzähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit. Daher eröffnen die rußnanopartikelmodifizierten Epoxid-Kohlenstofffaser Prepregs neue Anwendungen für Kompositbauteile, bei denen Widerstandserwärmung, elektrostatische Ableitung, elektromagnetische Abschirmung oder ein verstärkter Blitzschlagwiderstand erwartet werden.

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