Polymere und polymerbasierende Composite sind unverzichtbare Werkstoffe für die Elektronik und Elektrotechnik. Als Beispiele seien Leiterplatten, Komponenten der Leistungselektronik im Fahrzeugbereich, Hochspannungsgeneratoren und Transformatoren genannt. Sowohl die steigende Integrationsdichte in der Elektronik als auch der Bedarf an höherer Effizienz und verbessertem Verhältnis von Leistung zu Gewicht bei Generatoren und Transformatoren führen zu anspruchsvollen Betriebsbedingungen und höherem Temperaturniveau. Dies erfordert verbesserte bzw. auch neuartige Werkstoffe, um erhöhte thermo-mechanische Stabilität, Wärmeleitfähigkeit und ausreichende dielektrische Festigkeit in verschiedensten Spannungsbereichen zu erzielen und somit Qualität und Zuverlässigkeit auf höchstem Niveau zu garantieren.
Das K-Projekt „Polymer Composites for Thermally Demanding Applications (PolyTherm)“ (i) vereint die Expertise von Materialwissenschaftern, Polymerchemikern und Elektroingenieuren, (ii) zielt auf anwendungsorientierte Forschung im Bereich der Funktionspolymere und Multi-Material-Strukturen für Elektronik und Elektrotechnik ab, (iii) führt zu neuartigen Werkstoffen, Modellierungs- und Simulationsverfahren, sowie alternativen Herstellungstechnologien, und (iv) stellt einen klar abgegrenzten Forschungscluster innerhalb der Strukturen von PCCL dar.
Die sechs Partnerunternehmen von PolyTherm lassen sich den Branchen Elektronik / e-mobility (AT&S AG, Continental Automotive GmbH, ams AG, und AVL List GmbH) und Hochspannungstechnik (Siemens AG Österreich, Andritz Hydro GmbH) zuordnen. Wissenschaftliche Partner von 5 Universitäten (Montanuniversität Leoben (AT); Technische Universität Graz (AT); University of Southampton (UK), Politecnico di Torino (IT) und Technische Universität Dortmund (DE)) sind mit komplementären Kompetenzen in den Bereichen Polymerchemie und Polymertechnologie, dielektrische Materialien, Leistungselektronik und Elektrotechnik am Konsortium beteiligt. PCCL als Initiator und Koordinator von PolyTherm bringt sich neben der Gesamtkoordination mit seinen Kompetenzen im Bereich Kunststofftechnik und Polymerwissenschaften maßgeblich in das Forschungsprogramm ein.
Zentrale wissenschaftliche Ziele von PolyTherm sind u.a. die elektrisch-thermisch gekoppelte Simulation der Temperaturverteilung in Leistungselektronik-Systemen, homogenisierte globale Simulationsmodelle für thermo-mechanische Belastungsanalyse in Multi-Materialverbunden, Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsabschätzung von elektronischen Bauteilen (basierend auf Simulationsmethoden), thermisch ausgelöste kationische Polymerisationsreaktionen mit Volumsexpansion, thermo-mechanische Eigenschaften von anisotrop expandierten Harzen, die Herstellung und Funktionalisierung von nanoskalierten Füllstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, und die Korrelation zwischen der Struktur und den dielektrischen Eigenschaften neuartiger Materialien.
Beispiele für Technologie-Entwicklungen im K-Projekt PolyTherm sind in Leiterplatten eingebettete Leistungselektronik-Komponenten (bis zu 5 kW) für die elektrische Antriebstechnik (e-mobility), hochpräzise Drucksensoren, Bauteile mit geometrischer Anpassung durch thermisch induzierte Volumsexpansion für Hochspannungsgeneratoren und Transformatoren, und neue Herstellungsverfahren für Isolationskomponenten auf Thermoplastbasis für Hochspannungs-Anwendungen.
Die wissenschaftlichen Arbeiten im PolyTherm-Projekt widmen sich insbesondere den folgenden Bereichen:
- Zuverlässigkeits- und Lebensdauerbewertung neuer Power Package-Konzepte durch verbesserte Schadens- und Fehlersimulation
- Virtuelle Systembewertung eines Hochleistungsdrucksensors in Wechselwirkung mit der Leiterplatte
- Expandierende Polymere: Baugruppen mit maßgeschneiderter geometrischer Ausrichtung
- Kationische Härtung von Epoxid-Duroplasten mit maßgeschneiderten Eigenschaften auf der Basis von Simulationsmethoden
