Motivation

Um das Deformationsverhalten von Elastomeren direkt im Betrieb in-situ überwachen und ggf. aktiv beeinflussen zu können, bedarf es gegenwärtig noch einer aufwändigen externen Messtechnik. Kohlenstoffallotrope sowie magnetische Mikropartikel bieten hier eine attraktive Möglichkeit, dies in den Werkstoff zu integrieren, da bereits mit kleinen Zumengungen im Elastomer sensorische Effekte erreicht werden können. Eine andere Möglichkeit sind Sensornetzwerke aus fadenförmigen, dehnungssensitiven, elektrischen Leitern, wie metallisierten Fäden oder Car­bon­fasern. Beide Ansätze eignen sich im Rahmen einer möglichen Selbstdiagnose, den Deformationszustand in adaptiven Faser-Elastomer-Verbunden ohne negative Beeinflussung des Materials zu überwachen. Ziel des Projektes sind nun die Ableitung eines geeigneten elektromechanischen Sensormodells, das auch die Orts- und Richtungsempfindlichkeit entscheidender Zustandsgrößen im System berücksichtigt, deren messtechnische Verifizierung und die Bestimmung der Querempfindlichkeiten. Bedeutung haben dabei auch die Langzeitstabilität der Zusammenhänge und der Einfluss starker geometrischer Nichtlinearitäten und komplexer Verformungen.

Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten

© IFE/TUD

Es wurde gezeigt, dass sich magnetische Nanopartikel in Hydrogele dispergieren lassen und so das Quellen der Hydrogele unter externen Stimuli (z. B. pH-Wert) magnetisch detektiert werden kann. Der Antragsteller hat sich in den letzten Jahren selbst umfangreich mit der Anwendung von Hydrogelen mit ihrem Stimuli-responsiven Verhalten und ihren viskoelastischen Eigenschaften in Sensoren beschäftigt. Es wurde untersucht, inwieweit gefüllte Polymere als hochdetektive Temperatur- bzw. Strahlungssensoren verwendet werden können. Da Perkolation bereits bei wenigen Prozent Füllvolumen auftrat, verhielten sich die Widerstandselemente elektrisch wie Halbleiter und technologisch wie Polymere. Prinzipiell lassen sich die genannten sensorischen Prinzipen ortsverteilt in I-FEV integrieren.

Wissenschaftliche Fragestellung und Projektziele

Es sind messtechnische bzw. strukturspezifische Strategien zu entwickeln, umzusetzen und zu erproben, um in-situ mittels der textil- und partikelbasierten werkstoffintegrierten Sensorik richtungsselektiv und ortsaufgelöst Informationen zu Verzerrung, Beanspruchung und Verformung zu erfassen. Dies soll resistiv bzw. magnetisch mit gezielt lokal verteilten sensitiven Mikropartikeln im Elastomer und entsprechenden Sensoren erreicht werden. Im Unterschied zu TP7 sind hier systemtaugliche Bauelemente-Modelle zu entwickeln, die auch die Ortsabhängigkeit der funktionalen und sensorischen Größen beinhalten, um die orts- und richtungsselektive Zustandsregelung zu ermöglichen. Dazu sollen finite elektromechanische Netzwerkmodelle entwickelt werden. Von besonderer Bedeutung ist die Langzeitstabilität der Sensoreffekte, insbesondere der Einfluss der Hysterese und instationärer Temperaturfelder, die neben den funktionalen und sensorischen Eigenschaften messtechnisch untersucht werden sollen. Darüber hinaus sind mittels systemtheoretischer Ansätze die Informationen der strukturintegrierten Sensornetzwerke algorithmisch mit den Informationen der in TP10 prüftechnisch erfassten lokalen und globalen Dehnungs- und Verformungsfeldern zu korrelieren. Die resultierenden situationsspezifischen mehrdimensionalen Informationen zur aktuellen Konfiguration und Position des I-FEV sind echtzeitfähig bereitzustellen und der Regelstrecke als Gesetzmäßigkeiten zu übergeben.

Kontakt

Institut für Festkörperelektronik (IFE), Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Dresden

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Name

Herr Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach

Institutsdirektor

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