Piezoelektrische 0-0-3 Komposite

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Laura De Lorenzis; Professor Dr.-Ing. Michael Sinapius
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389409970

Langfristig ist für strukturintegrierten Systeme zur Bauteilüberwachung (Structural Health Monitoring System) ein weitestgehend energieautarker Betrieb angestrebt. Für die Energiegewinnung können prinzipiell die Sensoren selbst genutzt werden, aber auch die flächigen Faserverbundstrukturen, die die Sensoren umgeben. Außerhalb der Betriebszeiten des SHM-Systems kann dazu Energie aus der Umgebung der Struktur gesammelt und in Aktornähe gespeichert werden (engl. Energy Harvesting). Hier setzt der Projektantrag an und will für den flächigen Einsatz geeignete Wandlermechanismen hinsichtlich der Eignung für einen energieautarken Betrieb untersuchen. Der Fokus dieses Vorhabens liegt auf der Untersuchung von piezoelektrischen Kompositen, die elasto-mechanische Energie in elektrische Energie wandeln und zum direkten Einsatz als energiewandelnde Schichten von Faserverbundbauteilen geeignet sind. Die Antragsteller werden zur Entwicklung der piezoelektrischen Harze einen Prüfstand zur Bestimmung wesentlicher piezoelektrische Kennwerte an modifizierten Harzen aufbauen (Permittivität, Spannungskonstanten, Ladungskonstanten, Kopplungsfaktoren). Die Dispergierung von piezokeramischen und permittivitätserhöhenden Partikeln, wie zum Beispiel Modifikationen des Kohlenstoffes, in Harzen wird untersucht. Hierzu werden elektrodierte (z.B. durch Sputtern, oder Leitpasten) Harzprobenkörper mit dispergierten Partikeln hergestellt. Insbesondere sollen auch alternative bleifreie Werkstoffe mit piezoelektrischen Eigenschaften, wie z.B. Kalium-Natrium-Niobat, betrachtet werden. Im zweiten Schritt werden Methoden entwickelt, um die voraussichtlich hochviskosen Harzsysteme in den Faserwerkstoff einzubringen. Als sehr vielversprechend werden Harzfilminjektionsverfahren angesehen (Resin Film Infusion (RFI)). Dabei muss auch geklärt werden, wie die Elektroden in den Verbund integriert werden können und wie dieser Verbund aufgebaut sein muss, wenn elektrisch leitende Kohlenstofffasern zum Einsatz kommen. Für ein vertieftes Verständnis der Mechanismen werden Modelle auf Mikro- und Mesoskala aufgebaut. Das Ziel ist dabei eine validierte Mehrskalenmethode zur quantitativen Vorhersage der elektromechanischen Eigenschaften vpn Epoxidharzen, die mit piezoelektrischen, keramischen Partikeln gefüllt sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Peter Wierach