Grundlagenuntersuchungen zu integrierten textilbasierten Sensornetzwerken zur zerstörungsfreien Strukturüberwachung endlosfaserverstärkter Verbundwerkstoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Chokri Cherif
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 143526737

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Kontext des Projekts werden grundlegende Erkenntnisse der textiltechnologischen Integration von CF-basierten Dehnungssensoren und –sensornetzwerken während der Flächenbildung verschiedenartiger Verstärkungshalbzeuge sowie der Einfluss diverser Fertigungsparameter auf die sensorischen Eigenschaften im sensortragenden FKV gewonnen. Als Kontaktierungsform der piezo-resistiven CF-Rovings ist eine Vorzugslösung auf Basis kraftschlüssiger Kontaktierung der Fadenenden zwischen miteinander verlöteten Kupferdünnfilmplättchen erarbeitet worden, mit der mechanisch ausreichend stabile Verbindungen mit Übergangswiderstanden im Bereiche von Rü < 100 mΩ realisiert werden können. In UD-FKV eingebrachte und derartige kontaktierte 1D-CF-Sensoren gestatten ein reproduzierbares Abbildungsverhalten sowohl von statischen als auch zyklischen Beanspruchungen auf die messbare Widerstandsänderung der Sensorstruktur. Mittels Flachstrick-, Stick- und Webtechnik sind sowohl durchgängig als auch nicht durchgängig trassierte 2D-CF-Sensorstrukturen realisierbar, die sich in Abhängigkeit von der strukturellen Integrationstiefe in das sensortragende Verstärkungshalbzeug und damit in Abhängigkeit von deren Auslenkung aus der späteren Lastabtragsrichtung hinsichtlich der erreichbaren Empfindlichkeit (k-Faktor) und gleichzeitig auch in den Sensorkennwerten Linearität und Hysterese unterscheiden. Eine Steigerung der Einarbeitung reduziert die Sensorempfindlichkeit, bewirkt aber gleichzeitig eine Reduzierung der Hysterese. Der genannte Zusammenhang beruht auf kraft- und/oder formschlüssiger Kopplung der textilen Sensoren an die Verbundstruktur. Es zeigt sich, dass auf Reibschluss basierende Kontaktierungen von CF-Fadensystemen zur Ausbildung von 2D- oder 3D-Sensorstrukturen im Verstärkungshalbzeug bei redundanter Auslegung mechanisch höher beansprucht werden können und das aufgrund der parallelen Verschaltung der Einzelwiderstände darauf abgebildete Signal weniger Unstetigkeiten aufweisen. Im wochenweisen Zeitstandversuchen nach DIN EN ISO 899-1 sind Retardationen, insbesondere thermoplastischer FKV-Strukturen quantifiziert worden. Durch Vergleich mit konventionellen Extensometern, ist mittels integrierten CF-Sensoren eine gute näherungsweise Bestimmung der Kriechdehnung bei konstanter Belastung möglich. Die bei anwendungsbezogener Kalibrierung der Sensoren erreichbaren Sensorkennwerte gewebter, mit einer feinheitsbezogenen Kraft FV = 15 cN/tex vorgespannter 1D-CF-Sensoren [k = 1,88±0,2; Linearitätsabweichung ALin = (3,61±1,5) %; Hysterese AHys = (3,38±1,2) %] sind mit denen konventioneller Dehnungsmesstreifen ebenbürtig. Durch die Verwendung von DREF-Friktionsspinn-Hybridgarnen aus CF/PP ist keine Steigerung der Sensorkennwerte erreichbar. Durch die Ummantelung kann jedoch eine zusätzliche elektrische Isolationsschicht generiert werden. Im Kontext der zweiten Förderphase sind verschiedenartige chemische bzw. physikalische Funktionalisierungen der CF untersucht worden. CF/PP-Commingling-Garne zeigen die höchste interlaminare Scherfestigkeit, was auf die gute Durchmischung des Roving mit der späteren faserbasierten Matrixkomponente zurückzuführen ist. Anhand webtechnischer Variationen der Einarbeitung von CF-Sensorstrukturen in Mehrlagengewebe wird der Einfluss der kraft- und formschlüssigen Kopplung des Sensorelementes an das textile Verstärkungshalbzeug sowie der Einfluss der Auslenkung aktiv-messender Sensorteile aus der Hauptbeanspruchungsrichtung gezeigt, deren Auswirkung nachweislich direkten Einfluss auf die Sensoreigenschaften, insbesondere auf Empfindlichkeit und Hysterese, haben. Durch Aufbau und Aufrechterhaltung einer Fadenvorspannung des Sensorfadensystems wird eine Homogenisierung des Leiterquerschnittes und Orientierung in die Hauptmessrichtung erreicht. Durch in Halbbrücken verschaltete und in den Hauptspannungsrichtungen orientierte CF-Sensorpaare können Schubbeanspruchungen in der Ebene des FKV messtechnisch erfasst werden. Weiterhin lassen sich Rissbildung und –wachstumsprozesse kontinuierlich mittels 1D-CF-Sensorstrukturen im GF/PP-FKV bis zum vollständigen Strukturversagen durch charakteristische Widerstandssprünge detektieren. Interlaminare Delaminationsprozesse sind nach dem kapazitiven Messprinzip durch als Elektroden fungierende 2D-CF-Sensorelemente detektierbar. 3D-CF-Sensorelmente mit durchgehender Trassierung des Sensorfadensystems werden durch Adaption des Schusseintragssystems auf Flachstrickmaschinen realisiert und bilden im Vergleich zu gewebten 3D-CF-Sensorstrukturen mit höherer Korrelation auf mechanische Beanspruchungen des FKV ab.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Application of carbon filament (CF) for structural health monitoring of textile reinforced thermoplastic composites. Materials Technology 26(2011)3, ISSN: 1066-7857, pp. 128-134
  Hasan, M. M. B.; Matthes, A.; Schneider, P.; Cherif, Ch.
  
• Electro-mechanical properties of friction spun conductive hybrid yarns made of carbon filaments for composites. Textile Research Journal 81(2011)5, ISSN: 0040-5175, pp. 1603-1616
  Hasan, M. M. B.; Diestel, O.; Cherif, Ch.
  
• Mechanical characterization of hybrid yarn thermoplastic composites from multi-layer woven fabrics with function integration. Journal of Thermoplastic Composite Materials 25(2011)6, ISSN: 0892-7057, pp. 729-746
  Mountasir, A.; Hoffmann, G.; Cherif, Ch.; Kunadt, A.; Fischer, W.-J.
  
• Early prediction of the failure of textile-reinforced thermoplastic composites using hybrid yarns. Composites Science and Technology 72(2012)8, ISSN: 0266-3538, pp. 1214-1221
  Hasan, M. M. B.; Cherif, Ch.; Matthes, A.
  
• Characteristics of Carbon Fiber Based Strain Sensors for Structural-Health Monitoring of Textile-reinforced Thermoplastic Composites depending on the Textile Technological Integration Process. Sensors and Actuators A: Physical A203(2013)1, ISSN: 0924-4247, pp. 189-203
  Häntzsche, E.; Matthes, A.; Nocke, A.; Cherif, Ch.
  
• Development of new functional hybrid yarn constructions for structural health monitoring of high performance composites. Technische Universität Dresden, Fakultät Maschinenwesen, Institut für Textilmaschine und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM), 2013, Dissertation
  Hasan, M. M. B.
  
• High Temperature Resistant Insulated Hybrid Yarns for Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites. J. Appl. Polym. Sci. 130(2013)2, ISSN: 1097-4628, pp. 1179-1184
  Hasan, M. M. B.; Nocke, A.; Cherif, Ch.
  
• Carbofilamentgarnbasierte Sensornetzwerke zur ortsaufgelösten Überwachung von Faserverbundwerkstoffen. Technische Textilien 57(2014)1, ISSN: 0323-3243, pp. 30-33
  Häntzsche, E.; Unger, R. Nocke, A.; Hutloff, D.; Cherif, Ch.
  
• Carbon filament yarn-based sensor networks for spatially resolved monitoring of fiber-reinforced composites. Technical Textilies 57(2014)1, ISSN: 0323-3243, pp. 22-25
  Häntzsche, E.; Unger, R. Nocke, A.; Hutloff, D.; Cherif, Ch.