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Isolierstoff oder elektrischer Leiter - alles ist möglich

Die elektrische Leitfähigkeit von Bauteilen mit Faserverbundwerkstoffen gezielt gestalten

In der industriellen Anwendung braucht man oft Werkstoffe, die eine bestimmte Kombination von Materialeigenschaften besitzen. Ein Bauteil soll zum Beispiel witterungsbeständig sein, fest und je nach Anforderung elektrisch leitend oder isolierend sein. Die flexiblen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe bieten hier herausragende Möglichkeiten: Sie können sowohl dort eingesetzt werden, wo elektrische Leitfähigkeit gebraucht (beispielsweise für Bauteile mit integrierten Heizfunktionen), als auch in Umgebungen, in denen man elektrische Isolierstoffe benötigt, beispielsweise für sichere Produktionsprozesse.

Eigenschaften:
Wann kann die Kohlenstofffaser als elektrischer Leiter genutzt werden?

Die elektrische Leitfähigkeit von Carbon

CFK gelten als Material der Zukunft, weil damit extrem leichte Bauteile hergestellt werden können, die trotzdem fester als Stahl sind, und dabei sehr widerstandsfähig gegen äußere Einflüsse. Oft zum Einsatz kommen elektrisch leitfähige Bauteile mit diesen Eigenschaftenbeispielsweise in der Luft- und Raumfahrttechnik.
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Beheizbare Bauteile herstellen

So sind hochfeste, leichte Bauteile möglich, die intern beheizbar sind. Dazu wird bei der Herstellung ein Strang Kohlenstofffasern durch ein Bauteil gezogen oder eine oberflächennahe Lage Kohlenstofffasern eingebracht, die sich später mit Strom beaufschlagen lassen und als Widerstandsheizelement fungieren. Die Enden werden dabei oft mit einem Kupferband versehen, um die Kontaktierung zu vereinfachen. Die elektrische Leistung zwischen den Enden des Kohlenfaserstrangs erzeugt dann Wärme im Bauteil.
Diese Wärme kann zum Beispiel genutzt werden, um Bauteile eines Fahrzeugs abzutauen. Dies kommt z. B. bei Zügen oder Flugzeugen zum Einsatz. Auch für den Mensch kann so ein angenehmer Heizeffekt erreicht werden. So werden Carbon-Heizungen als Flächenheizung verwendet, auch zur Beheizung von Räumen, zur Beheizung von Warmwasser, als Heizmatte oder als Heizpaneel.

Die flexiblen Herstellungs-Eigenschaften von Composites

Generell ist der Vorteil bei Faserverbundwerkstoffen, dass man sie sehr flexibel in ihrer Mischung und ihren Eigenschaften gestalten kann. Sowohl an den Fasern als auch am Kunststoff sind sehr viele unterschiedliche Variationen möglich. Nicht nur durch Auswahl des Kunststoffes und der Faser selbst, sondern auch durch die Beigabe von anderen Stoffen. Grundsätzlich können die Verbundwerkstoffe auch mit Metallen kombiniert werden, um eine höhere elektrische Leitfähigkeit zu erreichen.

Ein Verfahren, um die CFK-Leitfähigkeit zu erhöhen, sind Pultrusionsverfahren (auch Strangziehverfahren genannt). Bei Vollfasern ist eine leitfähige Beschichtung möglich, indem man Metalle aufdampft. Bei Mehrkomponenten-Filamentgarnen nutzt man leitfähige Carbonfasern oder feine Metallfasern (Filamente). Um die elektrische Leitfähigkeit von Polymeren zu erhöhen, werden oft Leitruße oder carbon nano tubes (CNT) verwendet. Je höher der Anteil dieser Leitruße am Volumen ist, desto höher ist die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffes.

Kohlenstofffasern können speziell synthetisiert werden: Durch einen hohen Graphitanteil kann die elektrische Leitfähigkeit hoch eingestellt werden. Solche Fasern bieten beispielsweise auch in der Hochfrequenztechnik Vorteile: Hohe Ladungsträgerbeweglichkeit ist hier ebenso zu nennen wie eine Unterdrückung des Skineffekts, weil die Oberfläche eine hohe Spezifität hat. Elektrisch leitfähige Kohlenstofffasern sind außerdem auch geeignet für eine Verwendung als Sensorelement.

Isolation:
Wann sind GFK als Isolierstoff anwendbar?

Tatsächlich war die Möglichkeit der Glasfaser-Isolation verantwortlich für eine der ersten Anwendungen des Stoffes in der Industrie. Damals wurde sie bei Leiterplatten von Platinen angewendet. Glasfaserverstärkte Kunststoffe haben einen hohen spezifischen Widerstand und eine hohe Durchschlagsfestigkeit. Heute nutzt man diese Eigenschaft der GFK als Isolator beispielsweise als Werkstoff für den Strunk bei modernen Silikonisolatoren. Rohre für Hohlisolatoren oder Stangen für Langstab-Isolatoren aus GFK sind ebenso möglich wie Abstützklötze bzw. Distanzklötze für die Fertigung von Transformatoren. Dabei haben GFK den Vorteil, dass sie auch für die thermische Isolation gut geeignet sind und das Material sehr leicht ist, sowie chemisch beständig gegen äußere Einflüsse.


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Arbeitsschutz:
Wie können Arbeitnehmer in Betrieben vor den Gefahren des elektrischen Stroms geschützt werden?

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Einsatz von GFK gegen die Gefahren des Stroms für menschliche Arbeitskräfte

Maschinenverkleidungen oder Einhausungen nehmen eine zentrale Rolle im Arbeitsschutz ein und bewahren den Bediener vor gesundheitlichen Gefahren:
  • elektrospezifische Schädigung entsteht, wenn der Strom Körperzellen elektrisch reizt. Dies kann dazu führen, dass das Herz belastet wird, dass Atemlähmungen auftreten und dass die Muskeln sich verkrampfen
  • elektrothermische Schädigungen entstehen, wenn durch den Strom Hitze erzeugt wird und ein Mensch sich daran verbrennt.
  • indirekte Stromschädigung tritt auf, wenn man nach einem elektrischen Schlag stürzt oder in Zuckungen verfällt und sich dann beispielsweise an einer laufenden Maschine verletzt.
Dabei hängt die Schwere des Schadens davon ab, wie hoch die Spannung und die Frequenz des Stroms sind der durch den Körper fließt, davon, wie lange der Strom einwirkt und dem Zeitpunkt der Einwirkung auf den Herzrhythmus.

Was versteht man unter Elektrotechnik-Schutzmaßnahmen?

Elektro-Schutzmaßnahmen sind Vorkehrungen, um Personen gegen elektrische Schläge zu schützen, wenn bei Berührung eines Gegenstandes Spannung entsteht.

Basisschutz und Fehlerschutz
  • Vorkehrungen für Basisschutz schützen Personen davor, elektrisch geladene Teile direkt zu berühren.
  • Fehlerschutz-Vorkehrungen sollen verhindern, dass Bauteile, die unter elektrischer Spannung stehen, indirekt berührt werden. Das sind oft Oberflächen aus einem Werkstoff, der bei Berührung keine Spannung annehmen darf. Das kann auch über verstärkte Isolierung geschehen.

Netzabhängige und netzunabhängige Schutzmaßnahmen (Elektrotechnik)

Netzabhängige Schutzmaßnahmen sind beispielsweise Maßnahmen zum Basisschutz (Definition: Schutz gegen elektrischen Schlag, wenn keine Fehlzustände da sind). So ist eine Maßnahme für den Basisschutz (Elektrotechnik) die Basisisolierung/ doppelte Isolierung. Diese verhindert, dass man leitfähige Bauteile berührt, die unter Spannung stehen. Dies geschieht entweder direkt an den Leitungen oder durch Abdeckungen/Umhüllungen. Außerdem kann um die Basisisolierung eine Schutzisolierung (Erklärung: Geräte der Schutzklasse 2) gelegt werden.
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