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Metal fiber incorporation in carbon fiber reinforced polymers (CFRP) for improved electrical conductivity

Compared to aluminum alloys, contemporary carbon fiber reinforced polymers (CFRP) structures offer poor electrical conductivity. Additional metal elements are necessary to fulfill important electrical functions like lightning strike protection, electromagnetical shielding, electrical bonding and grounding, compromising carbon fiber reinforced polymers' lightweight potential. Past research attempts tried to overcome this drawback by modifying the resin system, but could not demonstrate sufficient improvements. A different approach is the incorporation of highly conductive endless metal fibers into the carbon fiber reinforced polymers. The increased density of the composite is compensated by eliminating the need for additional electrical system installation items. The present paper covers the feasibility of this novel hybrid material concept.

For this purpose, electrical conductivity tests are realized on unidirectional coupons with different steel fiber volume fractions and compared with analytical values. Stainless chrome‐nickel steel fibers as well as copper cladded low carbon steel fibers are investigated. First, the specific conductance of the steel fibers is determined. These values are used to calculate the potential conductivity of unidirectional reinforced hybrid laminates based on the rule of mixture. Subsequently, unidirectional reinforced hybrid laminates with different steel fiber fractions are manufactured. The specific conductance of these composites is measured, using an in‐house developed conductivity testing facility.

The test results show that by incorporating steel fibers the electrical conductance of the composite can be increased by a factor of 29.8, compared to conventional carbon fiber reinforced polymers.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zeichnen sich u. a. durch hervorragende Festigkeit und Steifigkeit bei geringer Dichte, exzellentes Ermüdungsverhalten und Korrosionsbeständigkeit aus. Dem gegenüber stehen ein sprödes Versagensverhalten und eine, im Vergleich zu gängigen Aluminiumlegierungen, unzureichende elektrische Leitfähigkeit. Diese führt zu besonderen Herausforderungen bei der Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen als Konstruktionswerkstoff. Metallische Zusatzelemente werden notwendig, wenn bestimmte elektrische Funktionen (Blitzschutz, Signaltransfer, elektromagnetische Abschirmung, Erdung u. a.) zu gewährleisten sind. Die damit einhergehenden Zusatzmassen reduzieren in diesen Fällen einen Großteil des Leichtbaupotenzials, welches sich aus werkstoffmechanischer Sicht durch die Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen als Strukturmaterial ergibt.

In vorangegangenen Untersuchungen zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen durch Modifikation der Polymermatrix mittels leitfähigen Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) konnte keine ausreichende Verbesserung nachgewiesen werden. Ein alternativer Ansatz ist die Integration von besonders leitfähigen, metallischen Endlosfasern in kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe. Die höhere Dichte wird durch die eingesparten elektrischen Zusatzelemente kompensiert. Im Rahmen des vorliegenden Beitrags wird dieses Konzept näher betrachtet.

Zu diesem Zweck werden Chrom‐Nickel‐Stahlfasern bzw. kupferbeschichtete, niedriglegierte Stahlfasern in kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe eingebracht. An den hergestellten Hybridlaminaten wird der spezifische elektrische Widerstand experimentell bestimmt und mit analytischen Werten verglichen. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass sich durch die Integration der Stahlfasern die Leitfähigkeit des (Hybrid‐)Verbundwerkstoffs um den Faktor 29,8 steigern lässt.

Autoren:   B. Hannemann, S. Backe, S. Schmeer, F. Balle, U. P. Breuer
Journal:   Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Jahrgang:   2016
Seiten:   n/a
DOI:   10.1002/mawe.201600627
Erscheinungsdatum:   11.11.2016
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