Neue Publikation: Kohlefaser-Elastomerfilm

A carbon fiber elastomer film for mechanically anisotropic enhancement of stretchable electronics

Junhao Ni, Carola Böhmer, Markus Koenigsdorff,  Andreas Richter, Gerald Gerlach, E.-F. Markus Vorrath

Eine neue wissenschaftliche Publikation, kürzlich veröffentlicht in Composites Part B: Engineering, einer führenden Fachzeitschrift im Bereich der Verbundwerkstoffe, stellt einen kostengünstigen und einfach herzustellenden Ansatz vor, um kontrollierte mechanische Anisotropie in dünne, dehnbare elektronische Systeme einzuführen.

Dehnbare elektronische Geräte mit Mikro- bis Submillimeter-Dicke werden zunehmend in der Soft Robotics, der tragbaren Gesundheitsüberwachung ("wearable healthcare") und in Mensch-Maschine-Schnittstellen eingesetzt. Allerdings führt die mechanische Isotropie der üblicherweise verwendeten Elastomere zu unerwünschten Verformungen in Querrichtung, was die Aktuationseffizienz, die Messgenauigkeit und die geometrische Stabilität verringert. Hier präsentieren wir einen kostengünstigen, leicht herstellbaren und einfach anwendbaren Kohlefaser-Elastomer-Film (carbon fiber elastomer film - CFEF), der bei der Laminierung auf isotrope Elastomere eine ausgeprägte mechanische Anisotropie verleiht. Der CFEF wird durch das Einbetten von unidirektional ausgerichteten Kohlefaser-Monofilamenten in eine Polydimethylsiloxan-(PDMS)-Matrix hergestellt. Der Verbundwerkstoff weist eine hohe Steifigkeit entlang der Kohlefaserachse auf, bleibt jedoch in der Richtung senkrecht zu den Fasern hoch flexibel. Die Herstellung erfordert nur handelsübliche Materialien und Standardprozesse, was die Kompatibilität mit bestehenden Geräten sicherstellt. Für einen 200 μm dicken PDMS-Film wird die Querdehnung um 95 % unterdrückt. Bei Anwendung auf streifenförmige, mehrschichtige dielektrische Elastomer-Aktuatoren erhöht der CFEF die Aktuationsdehnung um 22 %. In dielektrischen Elastomer-Sensoren wird ein Anisotropieverhältnis von 80,6:1 erreicht. Dieser Ansatz bietet eine effektive und herstellungsfreundliche Lösung, um gerichtete mechanische Eigenschaften in dünnen, weichen elektronischen Systemen anzupassen, ohne die Flexibilität zu beeinträchtigen.

Diese Arbeit wurde im Rahmen des DFG-Graduiertenkollegs GRK 2430 durchgeführt und ist eine Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Festkörperelektronik (IFE) und dem Institut für Halbleiter- und Mikrosysteme (IHM) der Technischen Universität Dresden.

Full article: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.113417