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Faculty / Organisational entity
Materials in general can be divided into insulators, semiconductors and conductors,
depending on their degree of electrical conductivity. Polymers are classified as
electrically insulating materials, having electrical conductivity values lower than 10-12
S/cm. Due to their favourable characteristics, e.g. their good physical characteristics,
their low density, which results in weight reduction, etc., polymers are also
considered for applications where a certain degree of conductivity is required. The
main aim of this study was to develop electrically conductive composite materials
based on epoxy (EP) matrix, and to study their thermal, electrical, and mechanical
properties. The target values of electrical conductivity were mainly in the range of
electrostatic discharge protection (ESD, 10-9-10-6 S/cm).
Carbon fibres (CF) were the first type of conductive filler used. It was established that
there is a significant influence of the fibre aspect ratio on the electrical properties of
the fabricated composite materials. With longer CF the percolation threshold value
could be achieved at lower concentrations. Additional to the homogeneous CF/EP
composites, graded samples were also developed. By the use of a centrifugation
method, the CF created a graded distribution along one dimension of the samples.
The effect of the different processing parameters on the resulting graded structures
and consequently on their gradients in the electrical and mechanical properties were
systematically studied.
An intrinsically conductive polyaniline (PANI) salt was also used for enhancing the
electrical properties of the EP. In this case, a much lower percolation threshold was
observed compared to that of CF. PANI was found out to have, up to a particular
concentration, a minimal influence on the thermal and mechanical properties of the
EP system.
Furthermore, the two above-mentioned conductive fillers were jointly added to the EP
matrix. Improved electrical and mechanical properties were observed by this
incorporation. A synergy effect between the two fillers took place regarding the
electrical conductivity of the composites.
The last part of this work was engaged in the application of existing theoretical
models for the prediction of the electrical conductivity of the developed polymer composites. A good correlation between the simulation and the experiments was
observed.
Allgemein werden Materialien in Bezug auf ihre elektrische Leitfähigkeit in Isolatoren,
Halbleiter oder Leiter unterteilt. Polymere gehören mit einer elektrischen Leitfähigkeit
niedriger als 10-12 S/cm in die Gruppe der Isolatoren. Aufgrund vorteilhafter
Eigenschaften der Polymere, wie z.B. ihren guten physikalischen Eigenschaften,
ihrer geringen Dichte, welche zur Gewichtsreduktion beiträgt, usw., werden Polymere
auch für Anwendungen in Betracht gezogen, bei denen ein gewisser Grad an
Leitfähigkeit gefordert wird. Das Hauptziel dieser Studie war, elektrisch leitende
Verbundwerkstoffe auf der Basis von Epoxidharz (EP) zu entwickeln und deren
elektrische, mechanische und thermische Eigenschaften zu studieren. Die Zielwerte
der elektrischen Leitfähigkeit lagen hauptsächlich im Bereich der Vermeidung
elektrostatischer Aufladungen (ESD, 10-9-10-6 S/cm).
Bei der Herstellung elektrisch leitender Kunststoffen wurden als erstes
Kohlenstofffasern (CF) als leitfähige Füllstoffe benutzt. Bei den durchgeführten
Experimenten konnte man beobachten, dass das Faserlängenverhältnis einen
bedeutenden Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften der fabrizierten
Verbundwerkstoffe hat. Mit längeren CF wurde die Perkolationsschwelle bereits bei
einer niedrigeren Konzentration erreicht. Zusätzlich zu den homogenen CF/EP
Verbundwerkstoffen, wurden auch Gradientenwerkstoffe entwickelt. Mit Hilfe einer
Zentrifugation konnte eine gradierte Verteilung der CF entlang der Probenlängeachse
erreicht werden. Die Effekte der unterschiedlichen Zentrifugationsparameter
auf die resultierenden Gradientenwerkstoffe und die daraus
resultierenden, gradierten elektrischen und mechanischen Eigenschaften wurden
systematisch studiert.
Ein intrinsisch leitendes Polyanilin-Salz (PANI) wurde auch für das Erhöhen der
elektrischen Eigenschaften des EP benutzt. In diesem Fall wurde eine viel niedrigere
Perkolationsschwelle verglichen mit der von CF beobachtet. Der Einsatz von PANI hat bis zu einer bestimmten Konzentration nur einen minimalen Einfluß auf die
thermischen und mechanischen Eigenschaften des EP Systems.
In einem dritte Schritt wurden die zwei oben erwähnten, leitenden Füllstoffe
gemeinsam der EP Matrix hinzugefügt. Erhöhte elektrische und mechanische
Eigenschaften wurden in diesem Fall beobachtet, wobei sich ein Synergie-Effekt
zwischen den zwei Füllstoffen bezogen auf die elektrische Leitfähigkeit der
Verbundwerkstoffe ergab.
Im letzten Teil dieser Arbeit fand die Anwendung von theoretischen Modelle zur
Vorhersage der elektrischen Leitfähigkeit der entwickelten Verbundwerkstoffe statt.
Dabei konnte eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen
festgestellt werden .
Gradientenwerkstoffe sind Werkstoffe, deren Zusammensetzung und/oder Mikrostruktur sich in einer oder mehreren räumlichen Richtungen ändert. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, funktionelle Bauteile mit unterschiedlichen Materialeigenschaften auf verschiedenen Oberflächen oder Seiten speziell an einzelne Anwendungsfälle anzupassen. Bei der Herstellung der Gradientenwerkstoffe mit einer durchgängigen Matrix ergeben sich weitere besonderen Eigenschaften wie eine kontinuierliche Änderung der Materialeigenschaften. Solche Werkstoffe besitzen gegenüber beschichteten oder sandwichartig aufgebauten Materialien außerdem die Vorteile niedriger innerer Spannungen und sie neigen nicht zu Abplatzeffekten. Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass die Zentrifugation eine geeignete Methode zur Herstellung Epoxidharz-basierender Gradientenwerkstoffe ist. Bei einer entsprechenden Wahl der Zentrifugationsparameter wie Drehzahl, Dauer der Zentrifugation und Viskosität des Harzes ließen sich kontrolliert unterschiedlichste Füllstoffverteilungen einstellen. Diese umfassten Varianten von der homogenen Verteilung über eine kontinuierliche gradierte Änderung des Füllstoffgehalts bis hin zu einer vollständigen Separation der Probe in einen Reinharzbereich und einen maximal gefüllten Bereich. Es wurde ein Softwaretool entwickelt, das die Füllstoffverteilung in Abhängigkeit aller Zentrifugationsparameter berechnete. Dabei ergab sich eine gute Übereinstimmung der Experimente mit der Simulation. Durch die Zentrifugation ließen sich in den äußeren Probenbereichen wesentlich höhere Füllgrade erzielen, als dies durch reine Vakuummischtechnik möglich gewesen wäre. Bei einigen Füllstoffen und Füllstoffkombinationen zeigten die maximal gefüllten Zonen der Gradientenwerkstoffe eine deutlich höhere Verschleißfestigkeit als die maximal isotrop gefüllten Proben. Diese Verbesserung durch Gradierung ließ sich auch für trockengeschmierte, Graphit-gefüllte Werkstoffe zeigen. Die Verschleißraten der trockengeschmierten Gradientenwerkstoffe verringerten sich gegenüber den ungeschmierten Werkstoffen deutlich. Bei einer geeigneten Wahl der Füllstoffverteilung ließ sich sowohl eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit auf der äußeren, verschleißbelasteten Zone der Materialien erzielen, als auch gleichzeitig eine höhere Schlagzähigkeit im Inneren der Probe. Die Verbesserung der Verschleißfestigkeit durch die Gradierung konnte auf eine Bauteilgeometrie übertragen werden. Gleitlager-Innenringe mit einer, durch Zentrifugation hoch gefüllten äußeren Zone, zeigten in Gleitverschleißexperimenten eine höhere Verschleißfestigkeit als vergleichbare isotrope Werkstoffe. Als weiter Demonstrator-Bauteile wurden Laufrollen mit der gleichen Geometrie wie kommerziell erhältliche Rollen hergestellt. Diese Rollen wurden mit einem kontinuierlichen Aramid Gradienten in der polymeren Zone um den Stahlkern gefertigt.