title: Risserkennung und multiaxiale Dehnungsmessung an mechanischen Strukturoberflächen mittels Beschichtungen aus Graphen-Nanopartikeln
title: Crack detection and multiaxial strain measurement on structural surfaces using coatings made of graphene nanoparticles
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Yokaribas, Volkan
Publisher: name: Universitätsbibliothek Siegen
Year: 2023
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
subject: Graphen-Nanopartikel, Piezoresistivität, Elektrische Impedanztomographie

description: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Themenschwerpunkt um funktionale Oberflä-chen auf Basis des nanoskaligen Carbon-Werkstoffs Graphen. Graphen gilt aufgrund außeror-dentlicher intrinsischer Eigenschaften als ein Werkstoff mit einem enormen Anwendungspoten-tial. Durch Aufbereitungen in Suspensionen oder Tinten können etablierte Verfahren aus dem Bereich der Sprüh- oder Drucktechnik genutzt werden, um Bauteiloberflächen mit Graphen-Nanopartikeln zu beschichten und um auf diese Weise elektrische Leiterbahnen mit sensori-schen Eigenschaften herzustellen. Diese Applikationsverfahren ersetzen dabei das aufwendige Kleben, wie es bei den meisten herkömmlichen Sensoren erforderlich ist. Der Druck von Sensoren stellt eine relativ junge Entwicklung dar und bietet Chancen für zukünftige Anwendungen, insbesondere angesichts einer steigenden Nachfrage nach Sensoren in den Trend- bzw. Zukunftsthemen Industrie 4.0 und Internet der Dinge. Im Rahmen der Arbeit wird zunächst durch ein Perkolationsmodell gezeigt, inwiefern ein Netz-werkverbund aus zufallsverteilten Graphen-Nanopartikeln an der Schnittstelle zur mechanischen Verformung aufgrund des piezoresistiven Effekts agieren kann. Die modellbasierten Erkenntnisse dienen als Leitfaden zur Gestaltung piezoresistiver Beschichtungen und werden ebenfalls im Kontext von multiaxialen Dehnungen, die die Ermittlung piezoresistiver Wirkungen auf verschiedene Dehnungskomponenten erfordert, untersucht. In dieser Arbeit dient ein numerischer Ansatz, Strain-Differential Electrical Impedance Tomo-graphy, zur Rekonstruktion der Hauptdehnungen. Weiterhin lässt sich ein analytischer Ansatz, Strain Reconstruction Analytical Model, für die multiaxiale Dehnungsmessung darauf aufbau-end ableiten. Beide Methoden eigneten sich erfolgreich für die Dehnungsrekonstruktion für Graphen-Nanopartikel Beschichtungen. Abschließend wurden die Beschichtungen mithilfe des bildgebenden Verfahrens der Elektri-schen Impedanz Tomographie zur Rissdetektion eingesetzt. Bei der Analyse der Inversen Prob-lemstellung wurden bestehende Regularisierungsmethoden auf die mögliche Erkennung von Anomalien in Form von Oberflächenrissen an Strukturen untersucht. Das Rekonstruktionsergebnis der euklidischen Norm einer Tikhonov-Regularisierung als auch der Total-Variation basierend auf der L1-Norm konnte den Riss nicht exakt wiedergeben. Letztgenannte Regularisierung zeigte jedoch einen höheren Kontrast im Bereich des Risses auf, wodurch sich eine Anwendung zur Rissrekonstruktion als praxistauglicher erweisen kann.
description: This work focuses on coatings based on the nanoscale carbon material graphene. Due to its extraordinary intrinsic properties, graphene is considered as a material with enormous application potential. By preparation in suspensions or inks, established methods from the field of spray or printing technology can be used to coat component surfaces with graphene nanoparticles in order to describe electrical paths with sensory properties. This application process replaces the time-consuming process of gluing, as is required for most conventional sensors. The printing of sensors is a relatively recent development and offers opportunities for future applications, especially in view of the increasing demand for sensors due to the trend and future topics Industry 4.0 and the Internet of Things. As part of the work, a percolation model is introduced to show to what extend a network of gra-phene nanoparticles can act at the interface to mechanical deformation due to the piezoresistive effect. The model-based findings serve as guidelines for the design of piezoresistive coatings and are also examined in the context of multiaxial strains, which require the determination of piezoresistive effects on different strain components. In this work, a numerical approach called Strain-Differential Electrical Impedance Tomography is used to reconstruct the principal strains. Furthermore, an analytical approach Strain Reconstruction Analytical Model for the multiaxial strain measurement can be derived based on this method. The strain reconstruction based on both methods has been successfully demonstrated for graphene nanoparticle coatings. Finally, the coatings were used for crack detection by the Electrical Impedance Tomography. For the inverse problem, known regularization methods were examined for the possible detec-tion of anomalies in the form of surface cracks on structures. The reconstruction result of the Euclidean norm of a Tikhonov regularization as well as the total variation based on the L1 norm could not exactly reproduce the crack. However, the latter regularization shows a higher contrast in the area of the crack, whereby an application for crack reconstruction can prove to be more practical.