Entwicklung von Deformations-Sensoren auf Basis mehrphasiger Polymer-Nanokomposite unter Nutzung der Selbstanordnung und Nanofüllstoff-Lokalisierung – numerische Simulation und experimentelle Untersuchung (EffiSens)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Martin Ganß; Professor Dr. Tom Lahmer; Dr.-Ing. Ulrike Staudinger
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570602060

Die Entwicklung von Sensoren und Sensortechnologien hat in zahlreichen Bereichen zu bedeutenden Fortschritten bei der Prozess und Produktentwicklung geführt, insbesondere auf Grund der präzisen und multisensorischen Erfassung physikalischer Größen und der damit möglichen Optimierung. Eine vielversprechende Klasse von Sensoren sind piezoresistive Sensoren, welche Veränderungen von mechanischen Belastungen in elektrische Signale umwandeln. Als Ausgangsmaterialien für derartige Deformationssensoren sind elektrisch leitfähige Polymernanokomposite mit kohlenstoffbasierten Füllstoffen besonders geeignet. Die sensorischen Eigenschaften dieser Polymernanokomposite beruhen im Wesentlichen auf Änderungen ihres elektrischen Widerstandes bei anliegender mechanischer Belastung. Ziel des Vorhabens ist die Verknüpfung experimenteller Ansätze und numerischer Modellbildung, um effiziente Deformations-Sensoren auf Basis von elektrisch leitfähigen mehrphasigen Polymer/CNT-Nanokompositen zu erforschen und weiterzuentwickeln. Der Stand der Technik umfasst mehrheitlich Polymere, die aus einer Phase bestehen. Durch den Einsatz und gezielter Lokalisierung der Nanofüllstoffe in einer Komponente bzw. Phase von unmischbaren Polymerblends bzw. mikrophasenseparierter Blockcopolymere kann die Füllstoffdispersion verbessert und die Empfindlichkeit des Sensors erhöht werden Hier besteht allerdings weiterer Forschungsbedarf, um eine hohe Signalempfindlichkeit bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit zu erreichen. Das Konsortium setzt sich das Ziel, neue Ansätze hinsichtlich der Entwicklung von Deformations-Sensoren auf Basis von elektrisch leitfähigen Polymernanokompositen unter Nutzung der Selbstanordnung von mehrphasigen Blockcopolymeren für die Einstellung spezifischer Sensoreigenschaften zu erarbeiten. Hierfür ist es geplant, experimentelle Arbeiten zur Struktur-Eigenschafts- Korrelation mit numerischen Mehrskalensimulationsmethoden unter Nutzung von repräsentativen Volumenelementen zu koppeln und zu vergleichen. Neben der Materialentwicklung mit neuen Konzepten zur Erzeugung von effizienten Füllstoffnetzwerken ist auch die Entwicklung eines neuen, innovativen und situations-angepassten Sensordesigns über additive Fertigung vorgesehen. Im Vorhaben soll das BCP/CNT-Nanokomposit für das additive Schmelzschichtverfahren qualifiziert und eine materialgerechte Prozessführung entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen