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Multifunctional Composites - Printed Electronics for Structurally Integrated Health Monitoring of Fiber Reinforced Polymers

Subject Area Polymeric and Biogenic Materials and Derived Composites
Term from 2018 to 2021
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 393868053
 
Final Report Year 2022

Final Report Abstract

Die Hauptzielsetzung und Forschungsfrage des Projekts lautet „Multifunktionale Komposite, die zur strukturintegrierten Zustandsüberwachung in der Lage sind, lassen sich durch Bedrucken von Faser-Kunststoff-Verbunden mit elektrisch leitfähigen Tinten oder Pasten auf der Basis von Kohlenstoffnanopartikeln herstellen.“ Diese Frage wurde in diesem Projekt umfassend geklärt. Dafür wurden Tinten zum Verdrucken mittels Inkjet- bzw Nanojet-Druck durch Anmischen einer Lösung auf Basis von DMAc, Epoxidharz und EC als Dispergiermittel hergestellt, wobei SWCNTs durch gleichzeitige Sondenbeschallung und magnetisches Rühren im Tintenmedium dispergiert wurden. Bei der Optimierung des Druckverfahrens wurde festgestellt, dass es beim Inkjet-Druck von hohen SWCNT-Anteilen häufig zu einer Verstopfung der Düse kam. Es wurde daher auf eine piezobetriebene Jet-Ventil-Dosierung umgestiegen. Diese ermöglicht das Drucken von Tinte mit höheren Viskositätswerten und damit höheren SWCNT-Anteilen. Bei der Optimierung der Tintenzusammensetzung wurde sowohl die Ausstoßfähigkeit beim Druckprozess als auch der elektrische Flächenwiderstand der resultierenden Komposite berücksichtigt. Mit SWCNTs versetzte CLC-Filme wurden auf diese Weise erfolgreich durch einen Düsendruck-Prozess hergestellt. Zusätzlich wurden SWCNTs ohne weitere Zusätze in Epoxidharz dispergiert und als Siebdruckpasten verwendet oder als dünne Filme handgerakelt. Dabei wurden die SWCNT-Füllstoffgehalte hinsichtlich Leitfähigkeit, Viskositätsverhalten und Druckbarkeit optimiert. Die gedruckten und handgerakelten SWCNT/Epoxidharzsensoren wurden teilweise ausgehärtet und nach 48 Stunden in den gewünschten Geometrien in Standardinfusionsprozessen interlaminar in GFK-Laminate integriert. Die kohäsiven Eigenschaften von nanojet-gedruckten CLC wurden mittels Bruchversuchen experimentell bestimmt. Es wurde eine maximale Schwächung von 9% gegenüber reinen FKV- Werkstoffen bei annähernd konstanter Streuung festgestellt. Die experimentell ermittelten Werte wurden u.a. als Eingabewerte für numerische 2D- und 3D-Modelle genutzt. Mithilfe dieser war es möglich, Kriterien für die interlaminare Integration von Sensorik abzuleiten, damit diese eine geringe Schädigungswirkung auf das kohäsive Verhalten aufweisen. In diesem Zusammenhang wurde insbesondere die Geometrie des Sensors als Schlüsselfaktor ausgemacht. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden final auf die numerische Berechnung eines Stringers angewandt. Es zeigte sich, dass die schrittweisen Sensormodifikationen stets zu einer Verringerung der Schädigungswirkung führten, unabhängig von der Position des Sensors. Das Wissen kann folglich zur Auslegung von Sensorik in beliebigen Bauteilen angewandt werden. Die vollintegrierten SWCNT/Epoxidharz-Dünnschichtsensoren weisen einen piezoresistiven Effekt auf, der eine Korrelation von Spannung oder Dehnung und elektrischer Widerstandsänderung in mechanischen Versuchen ermöglicht. Im Allgemeinen führen Zugspannungen zu einer dehnungsproportionalen Widerstandssteigerung. Im Gegensatz dazu führen Druckspannungen zu einer Widerstandsabnahme, die antiproportional zur aufgebrachten Spannung ist. Gestufte Versuche zeigten, dass die Widerstandsänderung bei Proben ohne induzierte Schädigung meist reversibel ist. Die hohe Designfreiheit der Sensoren ermöglicht die Überwachung von GFK über große Materialabschnitte oder selektiv in hochbelasteten Bereichen. Verschiedene Versuche ergaben für unterschiedliche Belastungsfälle und Lagenaufbauten meist unbedeutende oder sogar positive Auswirkungen der integrierten Sensorfilme auf die mechanischen Eigenschaften. Die vorgehärteten SWCNT/Epoxidharz-Filme wirken nicht als Separatoren oder Delaminationsinitiatoren. Somit ermöglichen die strukturintegrierten SWCNT-Sensoren eine zuverlässige in-situ Zustandsüberwachung von GFK mittels elektrischer Widerstandsmessung ohne die mechanischen Eigenschaften des GFK signifikant zu beeinflussen. Insbesondere im Vergleich zu Sensoren aus Silberpartikel-Tinten beweisen die entwickelten SWCNT/Epoxidharzsensoren deutlich bessere mechanische Eigenschaften des multifunktionalen Komposits. Zukünftige Arbeiten werden sich unter anderem auf den Austausch elektrisch isolierender Komponenten in den Nanojet-Tinten durch entfernbare Zusätze konzentrieren, z. B. den Ersatz von Ethylcellulose durch Ethylenglykol.

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