Development of methods for filler addition in carbon fiber pre-pregs for the improvement of thermal and electrical properties

Carbon composite materials are broadly used in high demanding application where lightness and strength are required at the same time. Despite the several good aspects own by this kind of material, thermal and electrical conductivity of original materials are drawbacks. In particular, although these two features are based on different theoretic principle, they have the same trend according to the direction of measure of a 3D component. The in-plane conductivities are always higher with respect to through-thickness ones. This because carbon fibers transport heat and electricity inside them, acting thus as preferential paths. Having a glance on real applications, space components are always subjected to high thermal loads, that can cause stresses and deformations inside the material. On the other hand, composite materials are also commonly employed in applications at risk of lightening strike or for electronic devices like radar antenna. Given that, the improvement of these two properties becomes of key importance, two little-investigated methods for filler addition directly onto pre-preg sheets, will be studied in this project. These techniques rely on the treatment of pre-preg plies through the immersion in a bath or through a spray deposition. To have a more general view, fabric and unidirectional support will be impregnated through the use of different fillers at different concentration such as carbon black, copper powder, graphene nanoplatelets and multi-walled carbon nanotubes. Since this study is developed in collaboration between Politecnico of Milano and Bercella srl, preliminary tests of thermal and electrical performance will be evaluated at the company site. Subsequently, official tests will be developed at the university laboratories together with SEM imaging and EDS analysis. In addition, an exaustive mechanical evaluation will be experienced though tensile and ILSS tests. To conclude, physical-chemical tests as DSC and DMA will be conducted as well. Results will be discussed at the end, evaluating good and bad aspects of each technique and highlighting the most suitable filler according to the real application.

I materiali compositi in carbonio sono ampiamente utilizzati in applicazioni di alto livello dove sono richieste leggerezza e resistenza allo stesso tempo. Nonostante i numerosi aspetti positivi posseduti da questo tipo di materiale, la conducibilità termica ed elettrica dei materiali originali rappresentano degli svantaggi. In particolare, sebbene queste due caratteristiche si basino su principi teorici diversi, hanno lo stesso andamento a seconda della direzione di misura sul componente 3D. Le conducibilità nel piano sono sempre più elevate rispetto a quelle nello spessore. Questo perché le fibre di carbonio trasportano al loro interno calore ed elettricità, fungendo così da percorsi preferenziali. Dando uno sguardo alle applicazioni reali, i componenti spaziali sono sempre soggetti a carichi termici elevati, che possono causare sollecitazioni e deformazioni all’interno del materiale. D’altra parte, i materiali compositi sono anche comunemente impiegati in applicazioni a rischio di fulmini o per dispositivi elettronici come antenne radar. Dato che, il miglioramento di queste due proprietà diventa di fondamentale importanza, in questo progetto saranno studiati due metodi poco investigati per l’aggiunta di filler direttamente su fogli di pre-preg. Queste tecniche si basano sul trattamento di pelli di pre-preg attraverso l’immersione in un bagno o attraverso la deposizione a spruzzo. Per avere una visione più generale, il tessuto e il supporto unidirezionale saranno impregnati attraverso l’uso di diversi filler a diversa concentrazione come carbon black, polvere di rame, nanoplatlets di grafene e nanotubi di carbonio a multi parete. Poiché questo studio è sviluppato in collaborazione tra Politecnico di Milano e Bercella srl, prove preliminari di prestazioni termiche ed elettriche saranno valutate presso la sede aziendale. Successivamente, nei laboratori universitari verranno sviluppati test ufficiali insieme ad alcune immagini al SEM e analisi EDS. Inoltre, sarà partata avanti una valutazione meccanica esaustiva attraverso prove di trazione e ILSS. Per concludere, verranno condotti anche test fisico-chimici come DSC e DMA. I risultati saranno discussi alla fine, valutando vantaggi e aspetti negativi di ogni tecnica ed evidenziando il filler più adatatto in base all’applicazione.