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2021
Master Thesis
Title
Charakterisierung und Modifizierung der elektromagnetischen Schirmeigenschaften von Sheet Molding Compound
Abstract
Diese Ausarbeitung beinhaltet die Untersuchung sowie die Modifizierung der elektromagnetischen Schirmeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen im SMC-Prozess. Die Ansätze zur Realisierung einer Schirmwirkung wurden mithilfe einer Bewertungsmatrix bezüglich unterschiedlicher Kriterien bewertet. Dabei hat sich die Anwendung von elektrisch leitfähigen Additiven als erfolgversprechend herausgestellt. Dementsprechend wurden verschiedene Füllstoffe (Leitruß, Carbon Nanotubes, Carbon Nanostructures, Blähgraphit, Edelstahlgewebe) mit unterschiedlichen Konzentrationen verarbeitet und daraus Platten hergestellt. Die Verbundwerkstoffe wurden sowohl mit Glasfasern als auch mit Carbonfasern verstärkt, da Letztere eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die anschließende Bestimmung der Schirmeigenschaften erfolgte in einer Kooperation mit dem Fraunhofer IISB und deren Prüfstand zur Messung der Schirmwirkung im Nahfeldbereich. Dabei wurden zwei variierende Messungen (Rahmenantenne und Stabantenne) im Frequenzbereich von 10 kHz - 1 GHz durchgeführt, um die Schirmwirkung gegenüber elektrischen und magnetischen Feldern zu analysieren. Um den theoretischen Zusammenhang aus elektrischer Leitfähigkeit und EMV-Wirkung aufzuzeigen, wurde eine Vier-Punkt-Widerstandsmessung durchgeführt und mit den Schirmkennwerten verglichen. Zusätzlich wurden die Auswirkungen der Füllstoffe auf die mechanische Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit untersucht. Die unterschiedlichen Füllstoffe wurden abschließend bezüglich ihrer Kosten gegenübergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Zusammenhang aus elektrischer Leitfähigkeit und Schirmwirkung gegenüber hochfrequenten Magnetfeldern und elektrischen Feldern nachgewiesen werden kann. Auch kann festgestellt werden, dass die Messung einer elektrischen Leitfähigkeit mithilfe des Vier-Punkt-Widerstandsprüfstands für inhomogene Materialien ungeeignet ist. Die EMV-Ergebnisse zeigen, dass mithilfe der gewählten Füllstoffe in Kombination mit Glasfasern keine ausreichende Schirmwirkung erzielt werden kann. Erst durch Anwendung von Carbonfasern wird eine Abschirmung ermöglicht. Bei diesen sind gesteigerte Schirmdämpfungen mit allen Füllstoffen möglich, jedoch muss beachtet werden, dass die erhöhte Schirmdämpfung zu reduzierten mechanischen Kennwerten führt. Die Integrierung von Edelstahlgewebe führt sowohl bei Glasfasern als auch bei Carbonfasern zur höchsten Schirmdämpfung, jedoch ist die Verarbeitung im SMC-Prozess nach dem jetzigen Stand aufgrund des Fließprozesses nicht realisierbar. Der direkte Vergleich der Schirmwirkung mit Aluminium und Kupfer zeigt, dass eine Abschirmung mit Carbonfasern möglich ist, diese insbesondere im niederfrequenten Bereich deutlich niedriger ist. Somit kann keine der gewählten Varianten genutzt werden, um niederfrequente Magnetfelder abschirmen. Der abschließende Kostenvergleich zeigt, dass die Anwendung von Carbonfasern in der Kombination mit Füllstoffen Potenzial aufweist, jedoch für den Einsatz als Batteriegehäuse noch weiterführende Untersuchungen und Optimierungen nötig sind.
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This thesis includes the investigation and modification of the electromagnetic shielding properties of fiber composites in SMC process. The approaches for realizing a shielding effect were evaluated with regard to various criteria using an evaluation matrix. The use of electrically conductive additives proved to be promising. Accordingly, various fillers (conductive carbon black, carbon nanotubes, carbon nanostructures, exfoliated graphite, stainless steel mesh) were processed at different concentrations and used to produce panels. The composites were reinforced with both glass fibers and carbon fibers, as the latter exhibit electrical conductivity. The subsequent determination of the shielding properties was carried out in cooperation with Fraunhofer IISB and their test rig for measuring the shielding effect in the near-field range. Two varying measurements (frame antenna and rod antenna) were carried out in the frequency range 10 kHz - 1 GHz to analyze the shielding effect against electric and magnetic fields. In order to demonstrate the theoretical relationship between electrical conductivity and EMC effect, a 4-point resistance measurement was carried out and compared with the shielding characteristics. In addition, the effects of the fillers on mechanical tensile strength and impact strength were investigated. Finally, the different fillers were compared with respect to their costs. The results show that the correlation between electrical conductivity and shielding effect against high-frequency magnetic fields and electric fields can be demonstrated. It can also be stated that the measurement of electrical conductivity using the 4-point resistance test is unsuitable for inhomogeneous materials. The EMC results show that with the help of the selected fillers in combination with glass fibers, no suFicient shielding effect can be achieved. Only by using carbon fibers is shielding possible. With these, increased shielding effectiveness is possible with all fillers, but it must be borne in mind that the increased shielding effectiveness leads to reduced mechanical properties. The integration of stainless steel mesh leads to the highest shielding effectiveness with both glass fibers and carbon fibers, but processing in the SMC process is not feasible at the present stage due to the flow process. A direct comparison of the shielding effect with aluminum and copper shows that shielding is possible with carbon fibers, but that it is significantly lower, especially in the low-frequency range. Thus, none of the selected variants can be used to shield low-frequency magnetic fields. The final cost comparison shows that the application of carbon fibers in combination with fillers has potential, but that further investigations and optimization are still needed for use as battery housings.
Thesis Note
Karlsruhe, Karlsruher Institut für Technologie, Master Thesis, 2021
Author(s)
Person Involved
Publishing Place
Karlsruhe