Interaktiv - Das Kundenmagazin des Fraunhofer IPA 1.2016 | Page 42

42 FuE interaktiv 1|2016 interaktiv 1|2016 FuE Kohlenstoff-Nanopartikel fü r die Herstellung dünnschichtiger Heizungen Vor- und Nachteile verschiedenartiger Widerstandsheizungen dicke von einigen Mikrometern bei dünnen Beschichtungen und bis zu wenigen Millimetern bei Verbundstoffen erlaubt eine sehr geringe Bauhöhe. Dadurch können diese HeizschichEine Alternative zu den Heizungen aus gewickelten metallischen ten auch in Anwendungen int egriert werden, bei denen sehr Drähten könnten solche aus gedruckten Metallbahnen und wenig Raum zur Verfügung steht. Außerdem können die Heiz- Graphitschichten sein. Wichtige Voraussetzung für die einge- schichten direkt auf die zu beheizenden Oberflächen appliziert setzten Materialien ist ihre elektrische Leitfähigkeit. Beim Strom- werden. Dies erlaubt einen effizienten und flächig homogene- fluss wird die elektrische Energie durch Zusammenstöße der ren Wärmeübertrag als bei Drahtheizungen. Die geringe Wärme- Elektronen nach dem Jouleschen Gesetz in Wärme umgewan- kapazität und die flächige Wärmeentwicklung wirken sich po- delt, daher der Name Widerstandsheizung. sitiv auf die Energieeffizienz aus. Denn dünnschichtige Heizungen können im Vergleich zu herkömmlichen Drahtheizungen Graphitschichten ermöglichen die Herstellung einer vollflächi- bei geringeren Temperaturen betrieben werden. Außerdem gen und homogenen Widerstandsheizung, ebenso gedruckte sind sie viel leichter. Die weitaus kleinere Massendichte der Metallbahnen. Jedoch bestehen auch einige Nachteile dieser CNT im Vergleich zu den Metallen und ihre geringe Menge Systeme in speziellen Anwendungsgebieten. Für Flächenhei- führen zu einer erheblichen Gewichtsersparnis. zungen aus Verbundstoffen kommen Metall- oder Graphitpartikel als leitfähige Füller zum Einsatz. Beide Stoffe haben Passivhäuser sind gut gedämmt. Wenn sie überhaupt geheizt Aber auch hier gibt es Schwachstellen. Die Heizungen beste- All diese Vorteile, vor allem aber ihre Energieeffizienz präde- eine mehr oder weniger globulare Struktur. Damit eine durch- stinieren dünnschichtige Heizungen geradezu für eine weitere gehende Leitfähigkeit entsteht, muss das Volumen des Verbunds Einsatzmöglichkeit. Das Elektromobil braucht eine Zusatzhei- einen entsprechend großen Anteil an diesen Partikeln aufweisen. zung zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums, weil die Der hohe Füllgrad beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaf- Abwärme aus dem Verbrennungsmotor entfällt. Diese soll die ten des Matrixmaterials wie z. B. deren Flexibilität. Delamina- Batterie so wenig wie möglich belasten, um die Reichweite tion kann die Folge sein. der Fahrzeuge nicht zu beschneiden. Energieeffizient durch Kohlenstoff-Nanoröhren Verarbeitung von Nanopartikeln am Fraunhofer IPA Kohlenstoff-Nanoröhren (englisch Carbon Nanotubes – CNT) Die Verarbeitung der Nanopartikel mit Dispersionstechnik spielt sind Partikel mit einer großen spezifischen Oberfläche und eine bedeutende Rolle im Entwicklungsprozess der funktiona- einem hohen sogenannten Aspektverhältnis, d. h. der Unter- len Materialien. Die Güte der Dispersion bestimmt die Qualität schied zwischen Länge und Durchmesser ist sehr groß. Sie und die Eigenschaften der erzeugten Materialien. Der größte weisen metallische und halbleitende Eigenschaften auf. Basie- Vorteil der Nanopartikel besteht in der Größe der Gesamtober- rend auf CNT, können funktionale Materialien erstellt werden, fläche. Für die meisten Partikel ist das gleichzeitig ein Nachteil. die eine gute Alternative gegenüber den metallischen Mate- Sie agglomerieren leichter und sind so für die Einarbeitung in rialien oder Kohlenstoff in Form von Graphit darstellen. Den andere Materialien ungeeignet. Die breite Partikelgrößenver- größten Vorteil gegenüber anderen leitfähigen Partikeln und teilung und Partikel in Form von Agglomeraten führen zur Füllstoffen haben die CNT aufgrund ihrer faserartigen Struktur. Materialinhomogenität und verursachen Schwachstellen. Aus Diese ermöglicht den Aufbau zusammenhängender Netzwerke diesem Grund müssen die Nanopartikel in einen stabilen Zu- schon bei geringeren Füllgraden oder Schichtdicken. Ein wei- stand ohne Agglomerate überführt werden. terer Vorteil dieser Struktur liegt in dem flexiblen Schichtauf- werden müssen, dann nutzen sie Strom aus der Photovoltaik- hen überwiegend aus Metalldrähten, die bei hohen Tempera- bau. Auch bei mechanisch beanspruchten Bauteilen, z. B. durch Wissenschaftler am Fraunhofer IPA haben Prozesse für die anlage vom Dach. Eine verbrennungsbasierte Heizanlage wäre turen betrieben werden und lange zum Aufwärmen und Ab- Biegung, kann das elektrische Netzwerk aufrechterhalten wer- Verarbeitung von Nanopartikeln entwickelt, die einen effek- unverhältnismäßig teuer in der Anschaffung und Wartung. kühlen brauchen. Außerdem geben sie die Wärme ungleich- den. Die faserähnlichen Partikel bleiben in Kontakt, sie gleiten tiven Einsatz der Partikel in Heizungen ermöglichen. Damit Besser eigenen sich Heizungen, die elektrische Energie dort, mäßig ab und stellen ein erhöhtes Brandrisiko dar. aneinander und der Elektronentransport wird nicht wie z. B. konnten die benötigten Eigenschaften von Dispersions- und bei sphärischen Partikeln unterbrochen. Die geringe Schicht- Verbundwerkstoffen erreicht werden. Seit 2006 wurden am wo geheizt werden muss, in Wärme umwandeln. 43