Neue Messungen der elektrischen Eigenschaften von Kohlefasern

Schnitt einer Kohlefaser in einem mikroelektrischen Stromkreis. (Credits: Satoshi Matsuo and Nancy R. Sottos)
Schnitt einer Kohlefaser in einem mikroelektrischen Stromkreis. (Credits: Satoshi Matsuo and Nancy R. Sottos)

Kohlefaserverstärkte Polymerkomposite spielen zunehmend wichtigere Rollen in Luftfahrt, Infrastruktur, Energieerzeugung und Transport. Trotzdem ist das elektrische Verhalten eines Komposits aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Kohlefasern und der komplexen hierarchischen Mikrostruktur des Komposits schwer zu messen oder vorherzusagen.

Im Journal of Applied Physics berichten Forscher der University of Illinois in Urbana-Champaign über die erste direkte Messung des transversen, spezifischen elektrischen Widerstands einer einzelnen Kohlefaser. Die Wissenschaftler kombinierten eine präzise Probenvorbereitung mit einer als die Van-der-Pauw-Methode bezeichneten Methode, um diese anspruchsvolle Messung durchzuführen.

„Unsere Experimente bestätigen, dass die elektrischen Eigenschaften, die quer zu einer Kohlefaser gemessen werden, nicht dieselben sind wie die Eigenschaften entlang der Längsrichtung der Faser“, sagte die Co-Autorin Nancy Sottos.

Wenn Kohlefasern hergestellt werden, werden die starken kovalenten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Ebenen parallel zur Faserachse in Längsrichtung ausgerichtet. Zwischen den Ebenen existieren in Querrichtung nur schwache Van-der-Waals-Bindungen, was zu richtungsabhängigen Eigenschaften führt.

Die Forscher nutzen eine Technik, die als Van-der-Pauw-Methode bekannt ist, um den spezifischen elektrischen Widerstand in Querrichtung einer Kohlefaser zu messen. Die Messungen wurden an einem Schnitt einer Kohlefaser vorgenommen, die mit einem fokussierten Ionenstrahl geschnitten wurde. Anschließend wurden an ihr Elektroden für Messungen des elektrischen Widerstands befestigt.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine IM7-Kohlefaser in der parallel zur Länge verlaufenden Richtung elektrisch leitfähiger ist“, sagte der Co-Autor Satoshi Matsuo.

Bisher wurde die Van-der-Pauw-Methode hauptsächlich zur Messung des Widerstands von dünnen Filmen oder Scheiben verwendet. Die Forscher schnitten und manipulierten einen Kohlefaserschnitt mittels eines fokussierten Ionenstrahls und einer Nadel – ein Werkzeug, das häufig zur Vorbereitung von Proben für Elektronenmikroskopie genutzt wird.

Die Wissenschaftler arbeiten jetzt an Messungen des Kontaktwiderstands zwischen zwei Kohlefasern. Der elektrische Kontaktwiderstand hängt von dem elektrischen Widerstand und der Kontaktfläche ab, die ebenfalls vom Winkel abhängt, mit dem sich die beiden Fasern gegenseitig kreuzen.

Als nächstes planen sie, den spezifischen elektrischen Widerstand in Querrichtung an verschiedenen Kohlefasertypen unter verschiedenen Messbedingungen zu messen, beispielsweise der Umgebungstemperatur.

„Diese Prozedur könnte auch auf andere homogene leitfähige Fasermaterialien angewandt werden, deren Durchmesser in der Größenordnung von Mikrometern liegt, etwa leitfähige Polymerfasern oder metallische Fasern“, sagte Sottos.

Quelle

(THK)

Werbung

Ersten Kommentar schreiben

Antworten

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.


*