Hochtemperaturfeste piezoelektrische Faser
Projektleiter: Marcel Erhardt
Projektnummer: BMWK / INNO-KOM, 49MF200110
Laufzeit: 01.01.2021 – 30.06.2023
Aufgabenstellung
Ziel war die Entwicklung faserförmiger, piezoelektrischer Polymersensoren mit niedriger thermischer Empfindlichkeit. Die Fasersensoren sollten in thermoplastische Verarbeitungsverfahren implementieren werden, ohne an Funktionalität einzubüßen. Der piezoelektrische Polymersensor sollte durch die Änderung der Materialzusammensetzung und die Implementierung einer thermisch isolierenden Schicht dauerhaft bei Temperaturen von bis zu 120 °C und kurzzeitig bei Spitzentemperaturen von bis zu 300 °C eingesetzt werden.
Ergebnisse
Die piezoelektrischen Sensorfilamente wurden mit einer Außenelektrode und einer thermischen Schutzschicht ausgestattet. Die Elektrodierung wurde mittels Rundflechtverfahren mit einem 1.4301-Stahl-Multifilament durchgeführt. Dabei bestand das Ziel in der Fertigung einer möglichst blickdichten Elektrode. Bezüglich der Schutzschicht wurde zum einen ein PA-Multifilament und zum anderen Schrumpfschlauch getestet. Die thermische Isolierung mittels Schrumpfschlauch erwies sich präparativ als vorteilhafter gegenüber einer PA-Beschichtung. Die gefertigten Filamente wurden anhand einer Hochspannungspolarisierung bei ca. 8 kV funktionalisiert und für Messung der piezoelektrischen Eigenschaften bei erhöhter Temperatur an Koaxialkabel kontaktiert. Weiterhin wurden die piezoelektrischen Fasern optisch (Lichtmikroskopie), mechanisch (Zugversuche) und thermisch (DSC) charakterisiert. Die Ergebnisse der DSC zeigen, dass Strahlenvernetzung des PVDF die Schmelzpunkte und Rekristallisationstemperaturen im Allgemeinen erniedrigt. Weitere Versuche zur Temperaturstabilität der piezoelektrischen Filamente wurden in einer Klimakammer mit definierter Anregung durch einen elektrodynamischen Schwingungserreger durchgeführt. Dabei konnte ermittelt werden, dass eine Beschichtung mit Schrumpfschlauch die thermische Stabilität der Filamente bis 120 °C gewährleistet.
Anwendung
Im Bereich Smart Home spielt Sensorik eine entscheidende Rolle. Piezoelektrische Sensoren können als Bewegungsmelder, Geräuschsensoren oder Kontaktsensoren für Türen und Fenster dienen. Als Einbruchs- oder Glasbruchsensoren können piezoelektrische Fasersensoren in Fenster- oder Türrahmen integriert werden. Sie müssen nicht nachträglich und extern angebracht, sondern können direkt als funktionalisierter Bestandteil geliefert werden. Der Sensor ist durch die Materialintegration nicht sichtbar, erfüllt aber dennoch alle bisher üblichen Anforderungen. Der piezoelektrische Fasersensor hat den großen Vorteil der Flexibilität und der textilen Verarbeitbarkeit.
Analog zu extrudierten Rohrprofilen ist als Anwendung die Schadensdiagnose von Schläuchen zu nennen. Weitere Beispiele sind die Abnutzungsdiagnose von Autoreifen, die Dichtheitsprüfung von Gummidichtungen oder die Integration in Schienenfußprofile. Insbesondere in Wohngebieten, wo Geräuschemissionen geringgehalten werden sollten, können die Sensoren zur Messung des durch eine Zugüberfahrt induzierten Körperschalls benutzt werden. Die Pultrusion stellt ein zentrales Standbein für die Fertigung glasfaser- oder kohlenstofffaserverstärkter Verbundbauteile dar. Die Anwendung von Pultrusionsprofilen erstreckt sich über den konstruktiven Einsatz als Ersatz für Stahlbewehrungen im Hoch- und Leichtbau oder in Bereichen mit starker Korrosion. Im Vergleich zur Verwendung von Stahlbewehrungen werden z.B. die Durchlässigkeit von Funkwellen, die Korrosionsbeständigkeit, weitgehende Wartungsfreiheit, die Möglichkeit zur lastgerechten Konstruktion und die Nicht-Leitfähigkeit von Strom und Temperatur ermöglicht. Die piezoelektrischen Sensorfasern lassen sich in den Pultrusionsprozess analog zu Verstärkungsfasern und –rovings gebündelt einarbeiten, was keine komplexen Maschinenumkonstruktionen oder Neukonstruktionen nach sich zieht. Die Sensoren können zur akustischen Analyse von Beschädigungen und des möglicherweise drohenden Versagens der Bewehrungselemente als auch des Betons dienen.
