Structurally compatible embedded sensors for damage detection in glass fibre reinforced polymers
Creators: name: Buggisch, Christina
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2022
Subjects: subject: Structural health monitoring
subject: Electrical measurements
subject: Carbon nanotubes
subject: Piezoresistive effect
subject: Composites
classificationCode: 600
subject: Technik

description: Faserverstärkte Kunststoffe weisen aufgrund ihres multiskaligen Aufbaus ein komplexes Versagensverhalten auf. Selbst Schäden, die die Integrität des Materials stark beeinträchtigen, können oft nicht durch eine Sichtprüfung erkannt werden. Daher wurden verschiedene Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung und In-situ-Zustandsüberwachung (engl.: Structural Health Monitoring (SHM)) entwickelt, um den zuverlässigen und sicheren Betrieb von Verbundwerkstoffstrukturen zu gewährleisten. Viele SHM-Methoden erfordern qualifiziertes Personal, teure Messgeräte und komplexe Sensornetzwerke, die das Leichtbaupotenzial verringern. Insbesondere bei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen können diese Einschränkungen durch elektrische Widerstandsmessungen überwunden werden. Bei leitfähigen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen können in-situ elektrische Widerstandsmessungen den Materialzustand ohne zusätzliche Sensornetzwerke während des Betriebs überwachen. In unmodifizierten glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) ist eine solche Widerstandsmessung jedoch aufgrund der fehlenden Leitfähigkeit des Materials nicht möglich. Diese Dissertation stellt zwei Ansätze vor, um ein elektrisches SHM in GFK zu ermöglichen, ohne die mechanischen Eigenschaften signifikant zu reduzieren. Die erste Methode beschreibt eine lokale Matrixmodifikation mit vollständig integrierten, vorausgehärteten Single-Walled Carbon Nanotube (SWCNT)/Epoxidharz-Dünnschichtsensoren. Das zweite Verfahren skizziert eine lokale Modifikation mit leitfähigen Fasern als Elektroden für Kapazitätsmessungen. Die eingebetteten SWCNT/Epoxidharz-Dünnschichtsensoren weisen einen piezoresistiven Effekt auf und ermöglichen eine lokale Dehnungsüberwachung in Echtzeit. Im Allgemeinen führen Zugspannungen zu einer Widerstandserhöhung und Druckspannungen zu einer Widerstandsverringerung. Die integrierten Dünnschichtsensoren haben bei verschiedenen Aufbauten und Belastungsfällen keinen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen. Lokale Spannungskonzentrationen durch Risse oder im Bereich von Löchern führen zu deutlichen Widerstandssteigerungen. Die Empfindlichkeit der Sensoren kann durch Variation der Geometrie eingestellt werden. Erste Beständigkeitsstudien belegen die Integrität der Sensoren bei zyklischen Ermüdungstests. Das Ausknicken eines Stringer-Bauteils kann bei Druckversuchen durch eine Widerstandserhöhung zuverlässig erkannt werden. Kapazitätsmessungen an integrierten Kohlenstofffaserbündeln ermöglichen eine Schadensdetektion in GFK-Verbundwerkstoffen aufgrund schadensbedingter Änderungen der Materialpermittivität. Sich entwickelnde Schäden mit eingeschlossener Luft führen zu einer insgesamt niedrigeren Permittivität und damit zu einem Abfall der Kapazität. In Zugversuchen korreliert die Entwicklung von Matrixrissen eindeutig mit der Abnahme der Kapazität. Die Kapazität nimmt während der raschen Rissbildung stärker ab und zeigt eine langsamere Abnahme im Bereich der Risssättigung. Eine analytische Modellierung der Kapazitätsabnahme ist möglich, wenn man von einem idealen Plattenkondensator ausgeht. Ein größerer Abstand der Bündel verringert die Empfindlichkeit gegen Ende der Prüfung, wo ein diffuseres Rissmuster vorliegt. Durch die Integration der Bündel in verschiedenen Schichten kann die Rissentwicklung in den jeweiligen Schichten genau verfolgt werden. Darüber hinaus ist anhand der gemessenen Kapazitätsabnahme eine Erkennung und Größenabschätzung von Schlagschäden möglich. Die beiden vorgestellten Methoden bieten ein hochgradig maßgeschneidertes SHM von GFK und lassen sich leicht in industrielle Prozesse einbinden – Kohlenstofffaserbündel können direkt während der Gewebeherstellung integriert werden und vorausgehärtete Dünnschichtsensoren können während des Stapelns von trockenen Geweben an den gewünschten Stellen platziert werden. Beide Methoden ermöglichen ein kosteneffizientes SHM in Echtzeit ohne signifikante Beeinflussung der mechanischen Materialeigenschaften und tragen somit zu einer sichereren Nutzung von GFK-Strukturen bei.
description: Fibre reinforced polymers exhibit a complex failure behaviour due to their multi-scale nature. Even damage that severely influences the material integrity can often not be detected by visual inspection. Therefore, different non-destructive testing and structural health monitoring (SHM) techniques have been developed to ensure composite structures’ reliable and safe operation. Many SHM methods require skilled personnel, expensive measuring equipment and complex sensor networks that reduce the lightweight potential. Especially in carbon fibre reinforced polymers, electrical resistance measurements overcome the limitations. In conductive carbon fibre reinforced polymers, in-situ electrical resistance measurements can monitor the material state during operation without additional sensor networks. However, in unmodified glass fibre reinforced polymers (GFRPs), such resistive monitoring is not possible due to a lack of material conductivity. This dissertation provides two approaches to enable electrical SHM in GFRPs without significantly reducing the mechanical properties. The first method describes a local matrix modification with conductive, fully-integrated, pre-cured single-walled carbon nanotube (SWCNT)/epoxy thin-film sensors. The second technique outlines a local replacement of glass fibre bundles with electrically conductive fibres as conductors for capacitance measurements. The embedded SWCNT/epoxy thin-film sensors exhibit a piezoresistive effect and enable real-time, local strain monitoring. In general, tensile stresses result in a resistance increase and compressive stresses in a resistance decrease. The integrated thin-film sensors do not significantly reduce the mechanical properties for various lay-ups and load cases. Local stress concentrations due to cracks or around holes result in significant resistance increases. The sensitivity of the sensor films can be tuned by geometry variation. First durability studies prove the integrity of the sensors during cyclic fatigue tests. Buckling of a stringer component can be reliably detected during crippling tests by a resistance increase. Capacitance measurements on integrated carbon fibre bundles enable damage detection in GFRP composites due to damage-induced material permittivity changes. Developing damages with incorporated air cause an overall lower permittivity and, thus, a drop in capacitance. Matrix crack evolution and capacitance decrease clearly correlate during tensile tests. The capacitance decreases more severely during rapid crack formation and slower the closer to crack saturation. Analytical modelling of the capacitance decrease is possible with assumptions of an ideal plate capacitor. A higher distance of the bundles decreases the sensitivity towards the end of the test, where a more diffuse crack pattern is present. By integrating the bundles in different layers, crack evolution in the respective layers can precisely be monitored. Furthermore, using the measured capacitance decrease, a detection and size estimation of impact damages is possible. The two presented methods offer highly tailored SHM of GFRPs and can easily be incorporated in industrial processes – carbon fibre bundles can be integrated directly during fabric manufacturing, and pre-cured thin-film sensors can be placed in the desired locations during stacking of dry fabrics. Both methods provide cost-efficient, real-time SHM without significantly altering the material properties and therefore help to enable safer use of GFRP structures.