Die kontinuierliche Zunahme von Störfrequenzen führt zu neuen Herausforderungen an die verwendeten Materialsysteme, um weiterhin effektiven EMV-Schutz gewährleisten zu können. Die Projektpartner konnten funktionalisierte Carbonfaser-Materialsysteme mit EMV-Eigenschaften entwickeln, die jene von bisher eingesetzten Materialien deutlich übertreffen.
Metallgehäuse zur EMV-Schirmung liefern für viele Anwendungsbereiche befriedigende bis gute Ergebnisse. Auch carbonfaserverstärkte Kunststoffe, bei denen die Leitfähigkeit der Carbonfasern für deren EMV-Eigenschaften verantwortlich ist, werden hierfür routinemäßig eingesetzt. Diese Materialien stoßen jedoch bei einigen Anwendungsfällen ebenfalls an ihre Grenzen. Grund hierfür sind sogenannte Resonanzkatastrophen, bei denen die EMV-Schirmdämpfung bei bestimmten Frequenzbereichen stark einbricht.
Theoretische Arbeiten legen nahe, dass diese Störeffekte durch eine Kombination von elektrisch leitfähigen und absorbierenden Materialien beseitigt werden können. Die Cetex Institut gGmbH entwickelte in Zusammenarbeit mit der IMG Electronic & Power Systems GmbH Nordhausen ein entsprechendes Materialsystem.
Abb. 1: ASTM-Messung mit Schirmdämpfung bis 110 dB (© Cetex)
Materialentwicklung
Zunächst wurden leitfähige Schichten aus carbonfaserverstärktem PP und PA6 mit 45 % FMG über CF/Polymer-Hybridvliesstoffe im Nassvliesprozess hergestellt. Hierbei konnte eine gute Faserverteilung der 3 – 6 mm Carbonkurzfasern erzielt werden, die mit optischen Methoden untersucht und quantifiziert wurde.
Durch Heißverpressen dieser Vliesstoffe konnten konsolidierte Halbzeuge mit 0,1 – 2 mm Dicke hergestellt werden. Interessanterweise zeigten diese Materialien bereits erstaunlich gute Schirmdämpfungswerte im ASTM-Verfahren im 40 – 1000 MHz-Frequenzbereich von bis zu 110 dB, was üblicherweise nur hochleitfähige metallische Schichten erzielen (Abb. 1).
In einem weiteren Schritt wurden Ferritpulver in das Polymer compoundiert und das so erhaltene magnetische Granulat ebenfalls zu Plattenhalbzeugen verpresst. Mit dem Materialbaukasten aus leitfähig und magnetisch modifizierten Kunststoffschichten konnten anschließend Mehrschichtstrukturen aufgebaut und daraus durch Umformung ebenfalls Bauteilstrukturen hergestellt werden (Abb. 2).
EMV-Messungen zeigten, dass die üblicherweise auftretenden Resonanzphänomene unter Einbruch der Schirmdämpfung mit diesen Materialien sehr gut gedämpft werden können.
Abb. 2: Platten- und Schalenhalbzeuge der Materialien mit neuartigen Schirmdämpfungseigenschaften (© Cetex)
Ausblick
Mit der erläuterten Materialherstellung eines Mehrschicht-Verbundwerkstoffes aus leitfähigen Carbonfasern und Ferriten wurde ein bisher theoretisch beschriebener Effekt experimentell nachgewiesen. Hierbei zielten die Untersuchungen auch direkt auf den praktischen Einsatz der Materialien, da die gesamte Prozesskette der Materialherstellung abgebildet und untersucht wurde.
Aus den Arbeiten gehen Bauteilstrukturen eines neuartigen Materialsystems mit bisher nicht erreichten EMV-Eigenschaften hervor. Mehrere Anwendungsbereiche – E-Mobilität, Chemieanlagentechnik, Leistungselektronik, industrielle Anwendungen, Kommunikationstechnologie, Automotive, zivile Radartechnik … – in einem weiten Frequenzbereich können von diesen Materialien profitieren.
Die Arbeiten wurden gefördert durch Mittel des BMWE aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.
Projektpartner: IMG Electronic & Power Systems GmbH, Asglawo technofibre GmbH, Steinbeis ALP, PTS Institut für Fasern & Papier gGmbH.
Kontakt:
Cetex Institut gGmbH, Chemnitz
Dr. Erik Wächtler
Forschung und Entwicklung
Tel: +49 371 52 77-250
waechtler@cetex.de
www.cetex.de
