title: Entwurf und Erprobung von drahtlosen in situ Sensorkonzepten zur Monitorisierung des momentanen Aushärtegrades von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen
Creators: name: Dorbath, Benedikt
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Faserverbundwerkstoffe finden vielfältig Verwendung in Produkten unterschiedlichster Anforderungen, da derartige Kompositmaterialien anwendungsspezifisch einstellbare mechanische Eigenschaften bieten. Insbesondere in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Windkraft- und der Kraftfahrzeugindustrie, welche einen hohen Anspruch an die Qualität und die Eigenschaften eines Werkstoffes sowie dessen Zuverlässigkeit stellen, werden häufig Kohlenstofffasern verwendet. Diese kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffe weisen eine besonders hohe Steifigkeit und Belastungsfähigkeit gegen Zugkräfte in Faserrichtung auf und sind trotzdem deutlich leichter als typische Materialien vergleichbarer Robustheit. Die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen erfolgt typischerweise durch das Einbetten der Fasern in flüssigem Matrixmaterial, welches anschließend einen chemischen Aushärteprozess durchläuft und dem Komposit seine feste Form gibt. Die mechanischen Eigenschaften des derart erzeugten Verbundwerkstoffes hängen maßgeblich vom Verlauf des chemischen Aushärteprozesses ab, welcher daher möglichst kontrolliert durchgeführt werden sollte. Dem gegenüber steht die Druck- und Temperaturabhängigkeit des Prozesses und dessen exotherme Aushärtereaktion. Folglich beschleunigt sich der Aushärtevorgang durch dessen Wärmeentwicklung selbst, wodurch sich der momentane Aushärtegrad des Werkstoffes lokal unterscheiden kann. Somit können die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes örtlich variieren. In dieser Forschungsarbeit wurden drahtlose in situ Sensoren entworfen, welche eine lokale Monitorisierung des momentanen Aushärtegrades von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ermöglichen. Hierdurch kann der Herstellungsprozess präziser und kontrollierter erfolgen. Die passiven, drahtlosen in situ Sensoren sind für Millimeterwellen um 45 GHz konzipiert und basieren auf der Verstimmung von Resonatoren in Abhängigkeit von der komplexen Permittivität des Matrixmaterials, welche sich während des Aushärteprozesses ändert. Die Antennen der Sensoren wurden um dielektrische Kanäle erweitert. Aufgrund der hohen Dämpfung der leitfähigen Kohlenstofffasern wäre der drahtlose Einsatz der Sensoren ohne Kanäle zur Monitorisierung des Aushärtegrades mittels Millimeterwellen für diesen Fasertypen nicht möglich. Zur simulativen und messtechnischen Erprobung und Bewertung der Sensorkonzepte hinsichtlich deren Funktionalität wurden die Materialien des Verbundwerkstoffes sowie der Sensorkomponenten im betrachteten Frequenzbereich messtechnisch charakterisiert. Die Einzelkomponenten der Sensorkonzepte wurden vermessen und deren Anwendbarkeit in den Sensorkonzepten verifiziert. Daraufhin wurden die drahtlosen in situ Sensoren im kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoff unter realen Aushärtebedingungen in Echtzeit erprobt. Die entworfenen drahtlosen in situ Sensorkonzepte ermöglichen eine Monitorisierung des momentanen Aushärtegrades von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen während des Aushärteprozesses in Echtzeit.