Multifunktionale Sensorgarne zur Echtzeit-In-situ-Erfassung multipler Schädigungsmechanismen zur kontinuierlichen strukturellen Integritätsüberwachung von Bauteilen aus textilverstärkten Verbundwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Chokri Cherif
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266143477

Das Forschungsvorhaben fokussiert die Entwicklung eines neuartigen, mit reproduzierbarer Qualität und definierter homogener Geometrie ausgestatteten, koaxial aufgebauten Sensorgarns mit nur drei Funktionsschichten, das im Inneren als präzise und kontinuierlich schmelzspinntechnisch hergestellte Kern-Mantel-Bikomponenten-Monofilamentstruktur ausgeführt ist. Den Kern bildet der perkolativ mit elektrisch leitfähigen Partikeln versetzte Thermoplast PEEK, das vollständig von einem PEEK-Mantel ohne Additive umschlossen ist. Dieses hochtemperaturbeständige Hochleistungspolymer ist zur direkten Integration in alle technisch relevanten Thermo- und Duroplast-Matrixsysteme geeignet. Weitere Forschungsschwerpunkte adressieren die Entwicklung eines Verfahrens zur Realisierung von definiert parametrierbaren elektrischen Reflexionsgittern in Form periodisch eingeprägter Querschnittsgradienten in der nasschemisch auf der Kern-Mantel-Struktur abgeschiedenen und als Außenleiter fungierenden Nickelschicht. Ein weiterer Fokus ist die Weiterentwicklung eines erstmals faserbasierten, in diesem Kontext untersuchten Messerfahrens auf Basis der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie zur Erzielung eines hohen Ortsauflösungsvermögens zur Erforschung geometrischer Ausprägungen der Entwicklung und Fortpflanzung multipler struktureller Schadensmecha-nismen sowie zu deren präzise lokalisierbaren In-Situ-Erfassung in Bauteilen aus FKV. Der innovative Ansatz beruht dabei auf der integralen Fertigung derartiger Sensorgarne als BiKo-Kern-Mantel-Monofilamentgarn mit streng homogenem, reproduzierbarem und kurzschlussfreiem Aufbau durch eine anforderungsgerecht weiterentwickelte Schmelzspinntechnologie. Es werden zwei neuartige auf der elektrischen Zeitbereichsreflektometrie basierenden Ansätze zur Herstellung eines vielseitig messtechnisch nutzbaren garnbasierten und maschinell verarbeitbaren Kombinationssensors verfolgt und mit einem neuartigen Kapazitätsmessverfahren für die Detektion von Impaktereignissen in FKV erweitert, die jeweils mit einer robusten elektrischen Kontaktierung zu versehen sind. Es wird von der Arbeitshypothese ausgegangen, dass die durch externe überlagerte Belastungen initiierten Beanspruchungen im FKV unmittelbar zu erfassbaren, das Gefüge verändernden strukturellen Ereignissen führen, die je nach Ausprägung nur lokal oder global geometrische Veränderungen der über die Dimension des zu überwachenden Bauteils integrierten sensorischen Koaxialleiterstruktur verursachen. Diese globale bzw. lokal im Bereich der geometrischen Reflexionsstellen auftretende geometrische Deformation des Koaxialsensors ermöglicht die Messung der lokalen Änderung der Wellenimpedanz, womit indirekt über die Messung der Laufzeitdifferenz eines eingekoppelten elektrischen Impulses nach lokaler Reflexion sowie unter Verwendung zu entwickelnder Auswertestrategien eine präzise, ortsaufgelöste (Re)-Lokalisierung durch Strukturdegradationen hervorgerufener Gefügeänderungen möglich wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen