Poprawe, ReinhartLott, PhilippPhilippLott2024-03-052024-03-052020https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/46287210.18154/RWTH-2020-06483Carbonfasern bieten im Vergleich zu anderen kommerziellen Verstärkungsfasern die höchsten spezifischen mechanischen Eigenschaften, insbesondere bezüglich der Zugfestigkeit und des E-Moduls. In Form von Carbonfaser-verstärkten Kunststoffen zeigen sie großes Potential zur Reduzierung der bewegten Massen bei Anwendungen der Luft- und Raumfahrt sowie dem Automobil- und Maschinenbau. Die Herstellung von Carbonfasern erfolgt üblicherweise durch die Stabilisierung und Carbonisierung von Polyacrylnitril (PAN)-Precursorfasern mittels Öfen. Laserbasierte Verfahren bieten durch die sowohl zeitlich als auch örtlich hoch präzise Steuerbarkeit der Laserstrahlung mehr Freiheitsgrade in der Induzierung des Temperatur-Zeit-Verlaufes während der Carbonisierung als konventionelle Carbonisierungsmethoden. Im Gegensatz zu CO2-Laserstrahlung sind nach aktuellem Stand von Wissenschaft und Technik keine systematischenUntersuchungen zur Carbonisierung von stabilisierten Polyacrylnitril-Fasern mittels energieeffizienter Diodenlaserstrahlung bekannt. Die übergeordnete Zielsetzung dieser Arbeit besteht daher in der Identifikation der Einflussfaktoren bei der diskontinuierlichen Carbonisierungmittels Diodenlaserstrahlung. Das damit einhergehende technische Ziel umfasst die Herstellung von Carbonfasern der industriell relevanten Klasse HT mit einer Zugfestigkeit von mindestens 3 GPa. Zur Erreichung der genannten Ziele werden zunächst Simulationsrechnungen zur Bestimmung der Einflussfaktoren auf die Filamentbündeltemperatur durchgeführt. Darüber hinaus werden Faktoren zur Erhöhung der Prozesseffizienz bei der Carbonisierung mittels Laserstrahlung identifiziert. Auf Grundlage der Erkenntnisse aus dem Stand von Wissenschaft und Technik sowie der durchgeführten Simulationsrechnungen werden anschließend ein geeigneter Versuchsaufbau zur Durchführung von Versuchen zur diskontinuierlichen Carbonisierung mittels Diodenlaserstrahlung realisiert, erprobt und im Weiteren die durchgeführten Simulationsrechnungen experimentell validiert. Abschließend werden für die diskontinuierliche Carbonisierung mittels Diodenlaserstrahlung die Prozessparameter mit dem größten Einfluss auf die Zugfestigkeit der hergestellten Carbonfasern identifiziert und die mit diesen Parametern hergestellte Zugfestigkeit mit von in Öfen carbonisierten Carbonfasern verglichen. Der Prozessparameter mit dem größten Einfluss auf die Zugfestigkeit ist analog zur Carbonisierung mittels Öfen die maximale Carbonisierungstemperatur. Die Temperatur im Filamentbündel wird im Gegensatz zur Carbonisierung im Ofen bei der Carbonisierung mittels Laserstrahlung signifikant von der Filamentbündelbreite beeinflusst. Dies kann sowohl in den Simulationsrechnungen als auch in den experimentellen Validierungsversuchen gezeigt werden. Zur Sicherstellung einer konstanten maximalen Carbonisierungstemperatur wird im Lauf der Verfahrensentwicklung eine Regelung der Laserleistung auf die Filamentbündeltemperatur in den Versuchsaufbau integriert. In Versuchen mitunterschiedlichen Temperatur-Zeit-Verläufen und eines über die Versuchsdauer veränderlichen Gegengewichtes kann in beiden Fällen ein großer Einfluss auf die Dehnung-Zeit-Verläufe während der Laserbestrahlung identifiziert werden. Der Einfluss auf die Zugfestigkeit ist in beiden Fällen jedoch nicht signifikant. Zentrales Ergebnis der Untersuchungen ist, dass durch die Carbonisierungmittels Diodenlaserstrahlung Carbonfasern hergestellt werden können, die eine Zugfestigkeit von mindestens 3 GPa aufweisen. Damit ist die Grundlage geschaffen, in zukünftigen Arbeiten energieeffiziente und kompakte Anlagen zur laserbasierten Carbonisierung zu entwickeln.dedoctoral thesis