DE102004039505A1

DE102004039505A1 - Verbundwerkstoff aus Polymeren und Fasermaterialien und daraus hergestellte Schichtsysteme

Info

Publication number: DE102004039505A1
Application number: DE102004039505A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Dreyer; Gudrun Sapich; Monika Prof. Dr. Bauer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2004-08-14
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft faserverstärkte Kunststoffe, die eine Matrix aus einem Kunststoff und ein Fasermaterial enthalten. Diese faserverstärkten Kunststoffe weisen aufgrund einer entsprechenden Auswahl des Fasermaterials, insbesondere eines Gestrickes, thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, die in x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung einstellbar ist. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffe liegt auf dem Gebiet der Mikroelektronik.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft faserverstärkte Kunststoffe mit einstellbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die eine Matrix aus einem Kunststoff und ein Fasermaterial enthalten. Ein bevorzugtes Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffe liegt auf dem Gebiet der Mikroelektronik.

Faserverstärkte Kunststoffe sind aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften in der Luftfahrt und im Fahrzeugbau bereits fest etabliert. Aus den vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten verschiedenster Ausgangskomponenten ergeben sich eine große Anzahl an Einsatzgebieten für Faserverbundwerkstoffe. Es können die mechanischen Eigenschaften – wie z.B. Festigkeit und Steifigkeit – sowie physikalische Eigenschaften – wie z.B. das Temperaturwerhalten – je nach Einsatzzweck durch geeignete Komponentenwahl fast beliebig variiert werden.

Faserverstärkte Kunststoffe und faserverstärkte Laminate werden üblicherweise für solche Anwendungen hergestellt, bei denen ein geringer Ausdehnungskoeffizient in zumindest zwei Raumrichtungen erwünscht, oder zumindest nicht störend ist.

Etablierte Laminatsysteme, welche aus gewebten textilen Strukturen und Reaktivharzen bzw. Thermoplasten bestehen, zeigen eine starke Richtungsabhängigkeit des Ausdehnungskoeffizienten (CTE), da die Fasern durch den Webprozeß stark gedehnt sind. Dies geschieht unabhängig davon, ob es sich um Glasfasern, Kunstfasern oder Naturfasern oder aber auch Papierlaminate handelt. Dem Harz wird durch die gestreckten Fäden des Gewebes in der Fläche die Ausdehnung des Gewebes aufgezwungen, so dass der Ausdehnungskoeffizient parallel zum Verstärkungsmaterial signifikant unterschiedlich zu dem senkrecht zum Verstärkungsmaterial ausfällt. Im Fall der in Tabelle 1 aufgeführten Laminate ist die Ausdehnung parallel zum Verstärkungsmaterial deutlich niedriger als senkrecht dazu. Der Ausdehnungskoeffizient senkrecht zum Verstärkungsmaterial ist sogar höher als der CTE des reinen Harzes, wie auch des reinen Verstärkungsmaterials. Da das Harz parallel zum Verstärkungsmaterial in seiner Ausdehnung gehindert wird, kann es sich nur senkrecht dazu ausdehnen, und zwar stärker als es das reine Harz tut. Für viele Anwendungen ist ein solches Verhalten von verstärkten Kunststoffen jedoch nicht wünschenswert.

Tabelle 1 zeigt die Richtungsabhängigkeit des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) verschiedener Laminate.

Tabelle 1: Thermische Ausdehnungskoeffizienten von Laminaten, in denen als Trägermaterialien Glas- und Naturfasern eingebettet sind; CTE senkrecht und parallel zur Verstärkungsfaser gemessen.

Beschreibung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, faserverstärkte Verbundwerkstoffe anzugeben, die Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die von der Raumrichtung unabhängig sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Laminat nach Anspruch 1 und das Schichtsystem nach Anspruch 29. Die Ansprüche 20, 22 bis 24, 26 und 28 lehren vorteilhafte Verwendungen des Laminats. Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.

Der erfindungsgemäße faserverstärkte Verbundwerkstoff enthält eine Matrix aus mindestens einem Kunststoff und mindestens ein Fasermaterial oder besteht aus mindestens einem Kunststoff und mindestens ein Fasermaterial, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Laminats in x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung gezielt einstellbar ist. Insbesondere ist ein Ausdehnungskoeffizient einstellbar, der sich von dem der reinen nicht faserverstärkten Matrix. und/oder dem des Materials aus dem das Fasermaterial besteht unterscheidet.

Als Matrix wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Polymersystem bezeichnet, das die Verstärkungsfasern in der gewünschten geometrischen Anordnung fixiert. Sie hat die Aufgabe, die auf das Verbundsystem wirkenden Kräfte aufzunehmen und an die Verstärkungsfasern zu übertragen. Des Weiteren dient sie dem Schutz der eingebetteten Fasern vor äußeren Einwirkungen und hat einen wichtigen Einfluß auf die Oberflächenqualität.

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe im Sinne dieser Erfindung können alle Fasermaterialien, insbesondere Verstärkungsfasern in Form von Geweben, Gelegen und/oder Vliesen enthalten. Besonders geeignet sind Gestricke bzw. Werkstoffe, die sowohl Gestricken als auch anders angeordnete Verstärkungsfasern enthalten.

Unter einem Gewebe wird ein textiles Flächengebilde, das aus sich rechtwinklig kreuzenden Fadensystemen – in Längsrichtung die Kette, in Querrichtung der Schuss – zusammengesetzt ist, verstanden. Das Gewebe ist in Längs- und in Querrichtung nur eingeschränkt dehnbar. Es gibt verschiedene Gewebekonstruktionen. Häufig verwendete Gewebe bestehen aus Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern. Des weiteren werden Kunstfaser- und Naturfasergewebe eingesetzt.

Bei einem Gelege liegen ein oder mehrere Fadensysteme verschiedener Orientierungsrichtungen übereinander, wobei die Kreuzungspunkte nicht fixiert sein müssen.

Vliese sind nicht gewebte Flächengebilde mit geringem Faserflächengewicht. Die Herstellung erfolgt in Trocken- oder Nassprozessen unter Zugabe von Bindern mit statistisch ungeordneten Fasern.

Im Falle von Geweben und Gelegen, aber auch von Vliesen ist aufgrund der stark gestreckten Fasern in mindestens einer Raumrichtung keine signifikante weitere Ausdehnung mehr möglich; dies resultiert in niedrige Ausdehnungskoeffizienten der daraus hergestellten Verbünde in Richtung der Faser.

Unter einem Gestrick wird erfindungsgemäß ein textiles Flächengebilde verstanden, das aus einem oder mehreren Fadensystemen durch Maschenbildung erzeugt wird (siehe 1). Im Folgenden wird die in 1 dargestellte Reihenrichtung als x-Richtung und die Stäbchenrichtung als y-Richtung bezeichnet.

Im Unterschied zum Gewebe werden Gestricke nicht gewebt sondern gestrickt. Bei der Herstellung eines Gestrickes werden also die Fäden bevorzugt nur in einer Richtung (der Reihenrichtung) in das vorhandene Gestricke eingebracht (bzw. angestrickt).

Die dabei erzeugten Maschenmuster sind nicht auf das in 1 gezeigte Muster beschränkt, es sind vielmehr alle Maschenmuster geeignet, insbesondere alle Maschenmuster die mit Strickmaschinen erzeugt werden können. Abhängig vom Nadeldurchmesser und der Spannung der Fadenzufuhr entsteht ein räumliches System mit hoher Dehnfähigkeit.

Das Gestricke kann daher auch ein eingestricktes Muster aufweisen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das eingestrickte Muster zur Kennzeichnung (z.B. Namen, Seriennummern etc.), für Dekorzwecke und/oder als Markierung (z.B. Fluchtwege, auch fluoreszierende Markierungen; z.B. durch fluoreszierende Fasern) dient.

Durch Verstreckung kann die Fläche des Gestrickes geändert werden. Die Faserkrümmungen werden sowohl in der Gestrickebene (in x- und y-Richtung, siehe 2), als auch aus der Gestrickebene heraus (in z-Richtung) durch Zugbelastung verändert. Wenn die angreifenden Zugkräfte nicht mit der Reihen- oder Stäbchenrichtung übereinstimmen, kommt es zur Scherung, wobei sich der Winkel zwischen Reihen- und Stäbchenrichtung verändert.

Je nach verwendeter Stricktechnik (d.h. insbesondere durch das verwendete Strickmuster und ggf. auch durch die gewählte Maschengröße) kann das Verhalten des Gestrickes so beeinflußt werden, dass dessen Dehnbarkeit in x- wie in y-Richtung identisch, oder aber unterschiedlich ist.

Bei Verarbeitung des Gestrickes zu einem Laminat führt ein Gestricke mit einer identischen oder sehr ähnlichen Dehnbarkeit in x- und in y-Richtung zu gleichmäßigen (d.h. identischen oder sehr ähnlichen) Ausdehnungskoeffizienten des Laminats in x- und y- Richtung; ein Gestricke mit unterschiedlicher Dehnbarkeit in x- und in y-Richtung Fall zu unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Laminats.

Um einen homogenen Ausdehnungskoeffizienten in x- und y- Richtung zu erzielen, muss das Gestricke in x- und y- Richtung gleichmäßig dehnbar sein.

Generell können erfindungsgemäß durch entsprechende Wahl der Gestricke bzw. der Prepregs die thermischen Ausdehnungskoeffizienten in allen Raumrichtungen definiert eingestellt werden. D.h. auch die Unterschiede zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten in verschiedenen Raumrichtungen sind einstellbar.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient des erfindungsgemäßen Laminats korreliert mit der Dehnbarkeit des eingesetzten Gestrickes. Gestricke mit hoher Dehnbarkeit in bestimmten Raumrichtungen rufen also hohe thermische Ausdehnungskoeffizienten in eben diesen Raumrichtungen hervor. Besonders bevorzugt sind daher Gestricke, die ohne Veränderung oder Zerstörung des Strickgewebes auf die doppelte Länge in zumindest einer Raumrichtung gedehnt werden können. Weiterhin kann ein hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient der erfindungsgemäßen Laminate erhalten werden, wenn auch die (reine) Matrix einen hohen thermische Ausdehnungskoeffizient aufweist. Auch der thermische Ausdehnungskoeffizient des (reinen) Fasermaterials, aus dem das Gestricke besteht, spielt eine Rolle, die allerdings eher untergeordnet ist.

Die erfindungsgemäßen faserverstärkten Verbundwerkstoffe besitzen den Vorteil, dass sie zur Anpassung an andere Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden können und dass die Doppelbrechung des Werkstoffs reduziert bzw. eingestellt werden kann. Beispielsweise kann bei niedrigem Ausdehnungskoeffizient in z-Richtung eine metallische Durchkontaktierung hergestellt werden ohne das Metall bei Temperaturwechseln stark zu belasten, gleichzeitig kann in x- und y- Richtung ein hoher Ausdehnungskoeffizient eingestellt werden um polymeres Wellenleitermaterial doppelbrechungsfrei zu erhalten.

Die erfindungsgemäßen faserverstärkten Verbundwerkstoffe liegen insbesondere in Form eines Laminats vor, das aus einer Lage oder mehreren miteinander verpressten Lagen eines Prepregs, das eine Matrix aus einem Kunststoff und ein Fasermaterial enthält, aufgebaut ist. Derartige Laminate haben den Vorteil, dass Ausdehnungskoeffizienten erzielt werden können, die bei gleicher Temperaturstabilität, Formstabilität oder mechanischer Stabilität von Matrix oder Fasermaterial alleine nicht zu erreichen wären.

Besonders bevorzugte Laminate weisen thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, die in x- und y- Richtung ungefähr gleich groß sind. Dadurch ist es möglich, polymeres Wellenleitermaterial doppelbrechungsfrei herzustellen. Insbesondere liegt bei derartigen Laminaten der Unterschied der ungefähr gleich großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 0 und 5 ppm/K.

Generell beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient in mindestens einer Raumrichtung mehr als 30 ppm/K, bevorzugt mehr als 50 ppm/K.

Liegen dagegen in x- und y-Richtung stark unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten vor (der Unterschied der stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sollte hierbei bevorzugt größer als 10 ppm/K sein), so ist es möglich bei Aufbringen von Wellenleitern (z.B. Monomode Typ mit 5–8 μm im Durchmesser) auf das Laminat, Wellenleiter zu erhalten, die wenn sie in x- Richtung verlaufen doppelbrechungsfrei sind, in y- Richtung aber Doppelbrechung zeigen, was für verschiedene Anwendungen vorteilhaft ist. Gerichtete Doppelbrechung in Schichten ist mit stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten in x- und y-Richtung ebenfalls möglich.

Als Matrix können unterschiedliche Polymere bzw. Kunststoffe eingesetzt werden. Bevorzugt wird die Matrix ausgewählt aus Reaktivharzen, thermoplastischen Kunststoffen, vernetzbaren und nichtvernetzbaren Elastomeren, wobei sowohl natürliche Polymere, synthetische Polymere, als auch modifizierte Naturstoffe oder Kombinationen hieraus verwendet werden können. Die für diesen Zweck gebräuchlichsten Kunststoffe sind ungesättigte Polyester, Phenolharze, Polycyanurate, Polyurethane, aber auch Thermoplaste. Die Matrix ist üblicherweise voll ausgehärtet, kann aber für spätere Weiterverarbeitung auch in nicht vollständig ausgehärtetem aber klebfreiem Zustand vorliegen.

Als Matrixharze sind vorzugsweise Reaktivharze mit hoher Thermostabilität wie Polycyanurate, Epoxiharze, Phenolharze etc. geeignet, wenn höhere Temperaturen wie beispielsweise bei der Prozessierung der Wellenleitermaterialien zum Einsatz kommen können. Besonders bevorzugt wird ein derartiges Reaktivharz ausgewählt aus Polycyanuraten, PT-Harzen, Phenolharzen, Epoxidharzen, Polyestern, Silikonen, Polyacrylaten, Polyimiden und Perfluorocyclobutanpolymeren (PFCB).

Die Herstellung des Laminats aus dem Gestricke erfolgt durch Aufbringen eines Monomers, Oligomers, Präpolymers und/oder einer Polymerschmelze auf das flächig ausgelegte Gestricke. Anschließend wird das so behandelte Gestricke so weiterverarbeitet, dass aus dem Monomer, Oligomer, Präpolymer und/oder der Polymerschmelze die Matrix oder normalerweise eine nicht vollständig ausgehärtete (üblicherweise auch nicht klebfreie) Vorstufe der Matrix, d.h. ein Prepreg gebildet wird. Besteht das Laminat aus mehreren Lagen eines Prepregs, so werden die Prepregs gestapelt und unter Einwirkung von Druck bei erhöhter Temperatur miteinander verpresst. Wenn unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten in x-Richtung und in y-Richtung erwünscht sind., sollte die Ausrichtung der einzelnen in den Prepregs enthaltenen Gestricke in x/y-Richtung identisch oder zumindest sehr ähnlich sein. Für gleiche Ausdehnungskoeffizienten in x- und y-Richtung sollten alle Gestricke so ausgerichtet sind, dass jeweils benachbart angeordnete Gestricke in x/y-Richtung um gleiche oder ähnliche Winkel gegeneinander verdreht sind. Hierdurch wird auch eine Erhöhung der mechanischen Stabilität erreicht.

Durch Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Gestricke, unterschiedliche Stricktechniken, bzw. unterschiedliche Matrixharze können unterschiedliche Prepregs erhalten werden. Durch entsprechendes Stapeln der Prepregs und Verpressen können Laminate mit Gradienten in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (vorzugsweise in z-Richtung) erhalten werden. Laminate mit hohen Ausdehnungskoeffizienten in einer, zwei oder drei Raumrichtungen können eine Vielzahl von Anwendungen finden.

Das Material der Verstärkungsfasern, insbesondere das Material des Gestrickes wird bevorzugt ausgewählt aus Glasfaser, Keramikfaser, Carbonfaser, Metallfäden, Metallfasern, Aramid, Kunstfaser (z.B. Polyester, Polyamid, Polyimid, Nylon), Naturfaser (z.B. Leinen, Hanf, Wolle, Seide) Aramidfaser und Polyimid. Aber auch metallische Gewebe und Gestricke, die alleine oder in Kombination mit Verstärkungsfasern, insbesondere Gestricken, aus den vorstehenden Materialien vorliegen, können eingesetzt werden. Ferner können auch Hybridgestricke aus zwei oder mehr Faserkomponenten verwendet werden.

Gestricke, die teilweise oder vollständig aus Metall oder anorganischen Fasern/Fäden sind, können z.B. eingesetzt werden zur Erzielung niedriger Ausdehungskoeffizienten, zu elektrischer und/oder thermischer Leitfähigkeit, für elektromagnetische Abschirmung oder für anti-elektrostatische Fußbodenbeläge.

Die erfindungsgemäßen Laminate oder auch nur eine oder mehrere Lagen der miteinander verpressten Prepregs können außer Matrixharz und Gestricke/Gewebe noch Füllstoffe oder andere Zusätze enthalten. Dadurch wird erreicht, dass ins Gestricke bzw. auch nur ins Laminat zusätzlichen Funktionalitäten integriert werden. Eine Integration ins Gestricke ist z.B. durch Einweben oder Einstricken möglich.

Denkbar ist beispielsweise Integrieren von Metallfäden, Glasfasern etc. z.B. als elektrische oder optische Leiterbahnen, für Datenübertragung, als Transponder, als z.B. verdeckte Stromleitungen, als Fußboden- oder Wandheizung.

Zur Erhöhung der thermischen und/oder elektrischen Leitfähigkeit können im Laminat Metallpulver, -plättchen, -flakes, -fäden, -fasern, aber auch Gestricke, Gelege und Gewebe aus Metallen, bzw. metallisierte Gestricke, Gewebe oder auch anorganische wärmeleitfähige Materialien (z.B. Aluminmiumoxid, Nitride, Bornitrid z.B., Diamantpulver, Ruß, Kohlefasern, Carbonnanotubes, Kohlefasergestricke, -gewebe bzw. -gelege) enthalten sein.

Farbstoffe können sowohl in die Harzmatrix, als auch in das Fasermaterial selbst (z.B. in Form von Pigmenten oder als kovalent gebundene Farbstoffe) eingebracht werden. Die Farbstoffe können dabei aktive Funktionen übernehmen, wie z.B. Fluoreszenz, Farbänderung bei hoher/niedriger Feuchte, bzw. bei Benetzung mit Wasser (z.B. um feuchte Flure zu markieren), weiterhin ist auch eine temperaturabhängige Farbänderung möglich (z.B. um heiße Böden/Oberflächen oder Frostgefahr zu markieren).

Erfindungsgemäß sind für alle nachfolgend beschriebenen Verwendungen Laminate, die Gestricke enthalten besonders bevorzugt.

Für den jeweiligen Verwendungszweck können die Lamiante, sofern erforderlich, geschliffen und poliert werden (z.B. wenn auf dem Laminat eine beliebige Schicht aufgebracht wird) sowie mittels Fräsen und Sägen in Form gebracht werden.

Die erfindungsgemäßen Laminate können beispielsweise für Anwendungen in der Mikroelektronik (z.B. für Leiterplatten), insbesondere als Substratmaterial für integrierte optische Bauelemente verwendet werden. Ferner können die erfindungsgemäßen Laminate auch als Substratmaterial bzw. Trägermaterial für optische Speichermedien (z.B. als Schutzfunktion, für Dekorzwecke, für Erhöhung der Stabilität der optischen Scheibe und/oder zur Integration weiterer Funktionalitäten wie Displays, Mikrochips und Transponder) eingesetzt werden.

Zur Datenübertragung in optischen Telekommunikationsnetzen, aber auch im Automotivebereich kommen mehr und mehr integrierte optische Bauelemente zum Einsatz. Üblicherweise werden diese Bauelemente auf Silicabasis hergestellt. Die entsprechende Technologie ist sehr kostenintensiv, weshalb auf diesem Sektor mehr und mehr Polymere als Wellenleitermaterialien zum Einsatz kommen. Die Verwendung von in der integrierten Optik etablierten Siliziumsubstraten ist jedoch für eine Reihe polymerbasierter Bauelemente unvorteilhaft, da aufgrund des großen Unterschiedes in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Polymer (hoher CTE) und Substratmaterial (niedriger CTE) eine Spannung in das Polymer induziert wird, die insbesondere bei hochempfindlichen Bauelementen (z.B. Arrayes Waveguide Gratings, AWGs) zum vollständigen Versagen des Bauelementes führt.

Aber auch Bauelemente mit neuen vorteilhaften Eigenschaften lassen sich realisieren. So ist in der Literatur die Herstellung temperaturunabhängiger integrierter optischer Bauelemente in Vollpolymerausführung (Verwendung polymerer Wellenleiter und angepaßter polymerer Substrate) beschrieben. Dieser Effekt wird in der Silicatechnologie nur durch konstante Tem perierung mittels eines Peltierelementes erreicht. In der Literatur ist auch die erfolgreiche Herstellung an die optischen Materialien angepaßter Polymersubstrate beschrieben. Diese werden jedoch in einem aufwendigen Gießprozeß hergestellt.

Eine einfachere, kontinuierliche und folglich kostengünstigere Herstellung dieser Substrate ist wünschenswert, was mit den in dieser Erfindung beschriebenen Laminaten erreicht wird. In Abhängigkeit von dem verwendeten Gestrickematerial, der Stricktechnik, dem Matrixharz, sowie den Preß- und Härtungsbedingungen kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des Laminates und somit des Substrates in einem weiten Bereich variiert werden und so an das Wellenleitermaterial angepaßt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung können daher die erfindungsgemäßen Laminate zu einem Schichtsystem angeordnet werden, das mindestens eine Laminatschicht als Basisschicht und mindestens eine darauf aufgebrachte Funktionsschicht aufweist.

Bevorzugt sollte bei allen Schichtsystemen aus einem Laminat und einer darauf aufgebrachten Funktionssschicht der Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Laminats und dem der Funktionsschicht maximal 40 ppm/K oder besser weniger als 30 ppm/K betragen. Besitzt die Funktionsschicht aber eine hohe Spannungsempfindlichkeit, so sollte der Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten erheblich kleiner sein.

Besonders bevorzugt sind daher die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Laminats einerseits und der Funktionsschicht andererseits in x- und y- Richtung ungefähr gleich groß (d.h. der Unterschied zwischen dem thermischem Ausdehnungskoeffizient des Laminats und dem der Funktionsschicht liegt insbesondere zwischen 0 und 5 ppm/K). Insbesondere ist der Ausdehnungskoeffizient von Laminat und Schicht so zu wählen, dass der Unterschied der thermischem Ausdehnungskoeffizienten den Härtungsschrumpf der Funktionsschicht so kompensiert, dass bei einer definierten (Betriebs)Temperatur oder einem bestimmten Temperaturbereich Spannungsfreiheit und somit auch Doppelbrechungsfreiheit vorliegt.

Zur Herstellung einer mit dem erfindungsgemäßen Laminat modifizierten DVD sollte der Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten so gewählt werden, dass er kleiner als 10 ppm/K ist.

Moderne optische Datenträger wie DVDs bestehen oftmals aus Materialverbünden. So sind im Falle der 4,7-GByte DVD zwei Polycarbonatscheiben zusammengeklebt, zwischen denen sich die datenspeichernde Schicht befindet. Die obere Hälfte des Rohlings dient, da keine zweite Datenschicht vorhanden ist, lediglich als Schutz. Durch Verwendung eines an den Ausdehnungskoeffizienten des Polycarbonats angepaßten Laminates als obere Substrathälfte kann die DVD gegenüber äußeren Einflüssen verstärkt werden oder zusätzliche Funktionalitäten (Mikrochips, Displays, Sensoren und Indikatoren (z.B. für Temperatur) können in dieses obenliegende Laminat und somit in die DVD integriert werden.

Generell muss zur Erzielung niedriger Doppelbrechungen die Gestricke-Matrix-Kombination bevorzugt so beschaffen sein, dass die Ausdehnung des Laminates die Ausdehung und den Härtungsschrumpf der aufgebrachten Wellenleiterschicht(en) kompensiert. Dadurch werden Wellenleiterschichten mit einer Doppelbrechung kleiner 10^–3, vorzugsweise kleiner 10^–4 und am günstigsten kleiner 10^–5 erhalten.

Zur Erzielung definierter (gegebenenfalls auch hoher) Doppelbrechungen muss die Gestricke-Matrix-Kombination so beschaffen sein, dass die Ausdehnung des Laminates die Ausdehung und den Härtungsschrumpf der aufgebrachten Wellenleiterschicht(en) dergestalt kompensiert, dass die Doppelbrechung definiert einstellbar ist. Hierbei ist zu beachten, dass die Doppelbrechung eines Materials nicht nur von der Spannung abhängig ist, unter der das Material steht, welche durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten (wobei die Härtungstemperatur zu berücksichtigenist) und dem Härtungsschrumpf entsteht, sondern, dass die „Stärke" mit der ein Material auf Spannung in Form von Doppelbrechung „reagiert" eine intirinsische Materialeingenschaft ist, die durch den spannungsoptischen Koeffizienten (in Brewster) bestimmt wird. So zeigen unter gleichen Bedingungen vernetzte Polyacrylatsysteme weniger als 10% der Doppelbrechung als Polycyanurate.

Die erfindungsgemäßen Laminate können weiterhin zum Verbinden von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten oder zum spannungsfreien Verbinden bzw. Fixieren von Bauelementen und/oder Bauteilen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten (insbesondere wenn die Verwendung flexibler spannungsausgleichender Materialien nicht möglich oder nicht erwünscht ist) verwendet werden.

Ferner können die erfindungsgemäßen Laminate als Leichtbaumaterial in Fahrzeug- und Flugzeugbau, als Verbindungselement für Anwendungen in der Mikroelektronik, dem Automobilbau, dem Fahrzeugbau, der Luft- und Raumfahrt sowie im Gebäudebau dienen.

Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Laminate besteht in der Herstellung von Dekorelementen für Dekorzwecke im Innen- oder Außenbereich, insbesondere im Baugewerbe (z.B. Bodenbeläge, Decken und Wandverkleidungen, Paneele für Wandvertäfelungen sowie Deckenverkleidungen). Das Laminat kann hierbei eine plane Platte ohne Profilierung sein. Die Laminate können aber auch Profilierungen aufweisen, die z.B. verwendbar sind, um mehrere Laminateinheiten miteinander kraft- form- oder stoffschlüssig zu verbinden. Beispielsweise können derartige Profilierungen in Nut und Feder zum Zusammenschieben bestehen. Auch komplizierte Formen, wie Eckleisten oder Verkleidungen können durch Verwendung entsprechender Formen beim Heißpressen erzielt werden.

Für Dekorzwecke oder als Markierungen (Fluchtwege etc.) können Muster, Zeichen oder Abbildungen dauerhaft in das Laminat integriert werden indem mit unterschiedlichem Faden die entsprechenden Muster, Zeichen oder Abbildungen in das Gestrick eingestrickt werden. Ein Abrieb dieser Muster, Zeichen oder Abbildungen ist somit deutlich geringer, als dies bei aufgedruckten Markierungen der Fall ist. Die Markierungen sind folglich wesentlich dauerhafter. Eine Integration fluoreszierender (selbstleuchtender) Fasern oder Elemente in die Gestrick bringt eine weiter erhöhte Funktionalität in Kombination mit hoher Haltbarkeit der Markierung.

Es können auch weitere Funktionen in das Gestricke und somit in das Laminat integriert werden. So können elektrische oder optische Leiterbahnen direkt in das Gestrick eingewebt werden, um so Daten oder Signale zu übertragen. Gegenüber der herkömmlichen Technologie, nämlich Leiterbahnen auf die Oberfläche von Leiterplatten aufzubringen und gegebenenfalls mehrere miteinander zu laminieren, hat die Integration ins Gestrick den Vorteil einer besseren Flexibilität der Leiterbahnen, so daß bei Biegung oder Dehnung der Leiterplatte ein Leiterbahnbruch unwahrscheinlicher wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit nachfolgend noch näher erläutert.
Ausführungsbeispiel 1:
Herstellung eines Laminates unter Verwendung eines Gestrickes mit unterschiedlicher Dehnfähigkeit in X- und Y-Richtung:
Gestrick aus einer Mischfaser mit 89% Polyester und 11 % Baumwolle mit einer Fasermasse von 52 g/m². (Vgl. 3).
Dicyanatobisphenol A (B10) wird bei 180°C über mehrere Stunden in Masse im Rundkolben prepolymerisiert. Die Reaktion wird durch Abkühlen mit flüssigem Stickstoff gestoppt. Man erhält ein gelbes, sprödes Granulat. Der Umsatz an OCN-Gruppen liegt bei ca. 42% (IR-spektroskopisch bestimmt).
60% (Masse) des Prepolymers werden in MEK (Methylethylketon) gelöst. Die viskose Lösung wird nun per Hand (mit Pinsel oder Rolle) auf das Gestrick aufgetragen. Das so erhaltene Prepreg wird bei ca. 80°C im Umluftschrank getrocknet. Falls erforderlich kann auch eine Vorvernetzung bei höheren Temperaturen erfolgen.
Zur Herstellung des Laminates von 2 mm Dicke werden 21 Lagen des Prepregs mit einer Größe von ca. 100 × 130 mm in einer Heizpresse bei 250°C mit einer Preßkraft von 10–15 kN 60 min. lang verpreßt.
Das resultierende Laminat ist in 4 dargestellt. Tabelle 2 zeigt die thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) in x- und y-Richtung. Die CTE-Werte der 2.Messung sind in x-Richtung um 13,8 bzw. 16,5 ppm/K höher als in y-Richtung.
Tabelle 2: Thermische Ausdehnungskoeffizienten CTE in x- und y-Richtung
Ausführungsbeispiel 2:
Laminat aus Polyester-POY-Gestrick und B10 x- und y- unabhängige Ausdehnungskoeffizienten:
Das Gestrick ist aus einer reinen Polyesterfaser als POY-Gestrick mit einer Fasermasse von 300 g/m² hergestellt (Vgl. 5). Als Matrixharz wird Dicyanatobisphenol A (B10) verwendet (Herstellung siehe Ausführungsbeispiel 1). Zur Herstellung eines Laminates von 6 mm Dicke werden 24 Lagen des Prepregs mit einer Größe von ca. 140 × 140 mm in einer Heizpresse bei 250°C mit einer Preßkraft von 15 kN 60 min. lang verpreßt.
Das resultierende Laminat ist in 6 dargestellt.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) des Laminats zeigt Tabelle 3. Im Rahmen der Messgenauigkeit zeigt sowohl die erste als auch die zweite Messung des Laminates in x- und y-Richtung gleiche CTE-Werte.
Tabelle 3: Thermische Ausdehnungskoeffizienten CTE in x- und y-Richtung
Ausführungsbeispiel 3:
Laminat aus Polyester-POY-Gestrick und PT30 mit in x- und y- Richtung unabhängigen Ausdehnungskoeffizienten:
Für die Herstellung des Laminats wurden Polyphenolcyanat (PT30, kommerziell erhältlich) als Matrix und als Verstärkungsfaser ein Polyester-POY-Gestrick verwendet (5).
Für ein Laminat von 3,6 mm Dicke werden 10 Lagen des Prepregs mit einer Größe von ca. 150 × 150 mm in einer Heizpresse bei 250°C mit einer Preßkraft von 15 kN 60 min. lang verpreßt. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten zeigt Tabelle 4.
Tabelle 4: Thermische Ausdehnungskoeffizienten CTE in x- und y-Richtung
Ausführungsbeispiel 4:
Laminat aus Polyester-POY-Gestrick und Polycyanurat mit reaktiver Cokomponente
Um die Härtungstemperatur auf 140°C zu verringern, wird das Polyphenolcyanat (PT30) mit einem phenolischen Härter im Verhältnis Harz/Härter 1,92 Äq/0,48 Äq eingesetzt. Es werden 126 g PT30 in 56 g Methylethylketon (MEK) gelöst und mit 26,15 Härter in 26 g MEK vermischt. Die Lösung wird auf das Gestrick von 150 × 150 mm² Fläche aufgebracht und 30 min bei 40°C im Umlufttrockenschrank getrocknet. Anschliessend wird das Prepreg in der Presse bei 140°C und 10–15 kN 20 min. verpresst. Thermische Ausdehnungskoeffizienten des Laminates siehe Tabelle 5.
Tabelle 5: Thermische Ausdehnungskoeffizienten CTE in x- und y-Richtung
Ausführungsbeispiel 5:
Substratmaterialien für diverse Anwendungen in der μ-Elektronik
Durch Schleifen und Polieren der Substrate auf Laminatbasis kann die Oberflächenqualität gegenüber dem unbehandelten Substrat deutlich erhöht werden, was sich in abnehmenden arithmetischen Mittenrauhwerten zeigt (siehe Tabelle 6), so daß sie Verwendung als Substratmaterialien in der Mikroelektronik finden können. Die arithmetischen Mittenrauhwerte der Substrate auf Laminatbasis entsprechen in guter Näherung denen von reinen Polycyanuratsubstraten. Geschliffen werden die Laminate unter Zuhilfenahme einer Schleifmaschine, um die für die Verwendung erforderliche Dicke zu erhalten bzw. Dickenunterschiede auszugleichen. Zur Erhöhung der Oberflächengüte werden die geschliffenen Laminate auf einer Poliermaschine poliert.
Tabelle 6: Arithmetische Mittenrauhwerte eines Laminates mit B10-Matrix mit und ohne Oberflächenbehandlung (g=geschliffen/p=poliert)
Ausführungsbeispiel 6:
Substratmaterialien für die integrierte Optik Aufbringen optischer Schichten
Auf die polierten Oberflächen der unter 1–4 hergestellten Laminate können mittels Spin Coating optische Schichten aus z.B. Polycyanuraten prozessiert werden. Die filtrierte Lösung eines reaktiven polycyanuratbasierten Polymers wird mittels Spinschleuder bei 800 U/min auf das Laminat-Substrat aufgebracht. Dazu wird die Lösung auf einen Wafer aufgetropft und durch die Fliehkraft in der Spin-coating Apparatur gleichmässig verteilt. Anschliessend wird die Schicht im Umluftofen bei 180°C unter Stickstoffatmosphäre 3 h ausgehärtet. Der an die optische Schicht angepasste CTE des Substrates, verhindert die Entstehung von Spannungen in der Schicht und führt somit zu einer reduzierten Doppelbrechung des Schichtmaterials.
Bei der Herstellung von Schichtwellenleitern ist die Doppelbrechung ein wichtiger Faktor. Durch den Einsatz von Laminaten aus polycyanuratbasierten Materialien als Substratmaterial, kann die Doppelbrechung in der aufgebrachten Schicht gegenüber einem Silizium-Wafer um mehr als den 4-fachen Wert, gegenüber einem reinen B10-Substrat um mehr als die Hälfte reduziert werden (siehe Tabelle 7).
Tabelle 7: Doppelbrechung in Schichten auf Si-Wafer, B10-Substrat und B10-Laminat (GS008-2); Härtungstemperatur der Schicht: 180°C
Ausführungsbeispiel 7:
Platten für Dekorzwecke und mit Markierungen (Siehe Ausführungsbeispiel 1)
In das Gestricke können Muster (Buchstaben, Zahlen, Pfeile etc. als Markierungen oder Maserungen, Punkte oder auch ganze Abbildungen als Dekor) durch Verstricken verschiedenenfarbiger Fäden eingebracht werden. Diese Fäden können auch aus fluoreszierenden oder leitfähigen Materialien bestehen. Im Laminat ist das Muster im transparenten Harz eingebettet, und damit vor Umwelteinflüssen (Wasser, Chemikalien, Zerkratzen etc.) geschützt. Als Beispiel zeigt 4 ein gestreiftes Laminat, welches nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellt wurde.

Claims

Laminat, enthaltend eine Matrix aus einem Kunststoff und ein Fasermaterial dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Laminats in x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung einstellbar ist.
Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminat aus einer Lage oder mehreren miteinander verpressten Lagen eines Prepregs, das eine Matrix aus einem Kunststoff und ein Fasermaterial enthält, aufgebaut ist.
Laminat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Laminats in x- und y- Richtung ungefähr gleich groß sind.
Laminat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Laminats in z-Richtung ungefähr gleich groß ist wie der thermische Ausdehnungskoeffizient in x- Richtung, oder in y- Richtung oder in x- und y-Richtung.
Laminat nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der ungefähr gleich großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 0 und 5 ppm/K liegt.
Laminat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient in x- Richtung und/oder y-Richtung und/oder z-Richtung größer als 30 ppm/K, bevorzugt größer als 50 ppm/K ist.
Laminat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial zumindest teilweise ein Gestricke ist.
Laminat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Gestricke in x-Richtung und/oder in y-Richtung und/oder in z-Richtung hohe Dehnbarkeit aufweist.
Laminat nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Gestrickes ausgewählt wird aus Glasfaser, Keramikfaser, Carbonfaser, Metallfäden, Metallfasern, Aramid, Kunstfaser, Naturfaser, Aramidfaser und Polyimid.
Laminat nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lagen enthalten sind, die Gestricke enthalten, die zueinander unterschiedlich sind.
Laminat nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gestricke die gleiche Ausrichtung in x/y-Richtung aufweisen.
Laminat nach Anspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gestricke so ausgerichtet sind, dass jeweils benachbart angeordnete Gestricke in x/y-Richtung um gleiche oder ähnliche Winkel gegeneinander verdreht sind.
Laminat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix ausgewählt wird aus Reaktivharzen, thermoplastischen Kunststoffen, vernetzbaren und nichtvernetzbaren Elastomeren, wobei die Matrix sowohl natürliche Polymere, synthetische Polymere, als auch modifizierte Naturstoffe oder Kombinationen hieraus enthalten kann.
Laminat nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktivharz ausgewählt wird aus Polycyanuraten, PT-Harzen, Phenolharzen, Epoxidharzen, Polyestern, Silikonen, Polyacrylaten, Polyimiden und Perfluorocyclobutanpolymeren (PFCB).
Laminat nach Anspruch 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestricke ein eingestricktes Muster aufweist.
Laminat nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das eingestrickte Muster zur Kennzeichnung, für Dekorzwecke und/oder als Markierung dient.
Laminat nach Anspruch 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ins Gestricke zusätzliche Funktionalitäten integriert sind.
Laminat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der Lagen der einzelnen Prepregs zueinander so ausgerichtet sind, dass in einer oder mehreren Raumrichtungen ein Gradient des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise in z-Richtung, vorliegt.
Laminat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Profilierung vorgesehen ist, die verwendbar ist, um mehrere Laminateinheiten miteinander kraft- form- oder stoffschlüssig zu verbinden.
Verwendung eines Laminats nach den Ansprüchen 1 bis 19 zu Dekorzwecken im Innen- oder Außenbereich.
Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminat eine plane Platte ohne Profilierung ist.
Verwendung eines Laminats nach den Ansprüchen 1 bis 19 als Leichtbaumaterial in Fahrzeug- und Flugzeugbau.
Verwendung eines Laminats nach den Ansprüchen 1 bis 19 um Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zu verbinden.
Verwendung eines Laminats nach den Ansprüchen 1 bis 19 zum spannungsfreien Verbinden bzw. Fixieren von Bauelementen und/oder Bauteilen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten.
Verwendung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminat als Verbindungselement für Anwendungen in der Mikroelektronik, dem Automobilbau, dem Fahrzeugbau, der Luft- und Raumfahrt sowie im Gebäudebau dient.
Verwendung eines Laminats nach den Ansprüchen 1 bis 19 für Anwendungen in der Mikroelektronik.
Verwendung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminat als Substratmaterial für integrierte optische Bauelemente dient.
Verwendung eines Laminats nach den Ansprüchen 1 bis 19 als Substratmaterial bzw. Trägermaterial für optische Speichermedien.
Schichtsystem, enthaltend mindestens ein Laminat nach den Ansprüchen 1 bis 19 als Basisschicht und mindestens eine darauf aufgebrachte Funktionsschicht.
Schichtsystem nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Laminats einerseits und der Funktionsschicht andererseits in x- und y- Richtung ungefähr gleich groß (d.h. der Unterschied zwischen dem thermischem Ausdehnungskoeffizient des Laminats und dem der Funktionsschicht liegt insbesondere zwischen 0 und 5 ppm/K).
Schichtsystem nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht eine optische Schicht ist.
Schichtsystem nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht ein optischer Wellenleiter ist.
Schichtsystem nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht eine datenspeichernde Schicht ist.
Schichtsystem nach Anspruch 33 dadurch gekennzeichnet, dass auf der datenspeichernden Schicht eine Schicht aus Polycarbonat aufgebracht ist.