Multifunktionale Faserverbundwerkstoffe

27.08.2008

Die Idee
Neuartige Werkstoffe sollen sich nach dem Vorbild der Natur an eine sich ständig ändernde Umgebung anpassen. Solche adaptive Werkstoffe, können mit Hilfe von piezoelektrischen Materialien gebaut werden, die auf mechanische Verformungen reagieren und ein elektrisches Signal erzeugen oder durch Anlegen einer elektrischen Spannung verformt werden. Durch dünne piezoelektrische Fasern, auf der Basis von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), können diese beiden Eigenschaften in Bauteilen verwirklicht werden, ohne dass dies zu erheblichen Störungen der Struktur führt.

Das Werkstoffkonzept
Die piezoelektrischen Fasern, auf der Basis des keramischen PZT, werden mittels Spinnverfahren hergestellt. Um die piezoelektrischen Eigenschaften nutzen zu können, werden die Fasern in ein Polymerharz eingebunden und Elektroden versehen, mit denen elektrische Signale ausgelesen werden können. Die Art der Elektrodierung ermöglicht die größtmögliche Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts. Die auf diese Art hergestellten Komposite (Bild) sind dünn, flexibel und lassen sich an verschiedensten Bauteilen applizieren oder in diese integrieren.

Schon mit einem geringen Gehalt an PZT-Fasern lassen sich sehr gute Sensoren realisieren, die auf mechanische Verformung wie Stoß, Biegung oder Druck reagieren. Mikromechanische Werkstoffsimulationen zeigen, dass sich die von außergewöhnlichen Ereignissen hervorgerufenen Sensorsignale deutlich von Signalen, die durch einen Standardbetrieb des intelligenten Bauteiles entstehen, unterscheiden lassen.

Aktorische Anwendungen lassen sich mit einem höheren Fasergehalt verwirklichen. Durch die größere Anzahl an Fasern können Kräfte auf Bauteile ausgeübt werden, die groß genug sind, diese zu verformen. PZT-Fasermodule für solche Anwendungen sind im Augenblick in der Entwicklung.

Die Anwendungen
Ein und dasselbe Fasermodul kann, abhängig vom Füllgrad mit Fasern, als Sensor oder Aktor genutzt werden. Die PZT-Sensoren müssen mit einer Elektronik versehen werden, die es ermöglicht, die Signale der Sensoren auszulesen und auszuwerten oder es erlaubt, die Aktoren aktiv zu regeln. In das Bauteil eingepasste, flächige Sensoren ermöglichen eine zeit-, frequenz- und amplitudenaufgelöste Messung von Deformationen zur Unterscheidung kritischer von unkritischen Ereignissen. Die kritischen Ereignisse sind lokalisierbar, so dass man die Sensoren gut zur Strukturüberwachung einsetzen kann. Beispiele für Anwendungsgebiete sind:

• Impactsensoren in der Luftfahrt
• Drucksensoren im Automobilbereich
• Schwingungssensoren im Maschinenbau
• Bausubstanzüberwachung von Gebäuden

Unser Angebot
Das Fraunhofer ISC bietet ein auf Ihre Anwendung zugeschnittenes Werkstoffkonzept auf der Basis von PZT-Faserverbunden an. Dabei stehen Anforderungen an Herstellbarkeit, Form, Werkstoffeigenschaften und Applizierbarkeit der PZT-Fasermodule für Ihre Anwendung im Mittelpunkt unserer Arbeit. Sowohl die Entwicklung von Funktionsmustern und Prototypen als auch deren Weiterentwicklung zur Serienreife wird in Kooperation mit der Neue Materialien Würzburg GmbH durchgeführt.

Ansprechpartner
Dr. Bernhard Brunner
Tel. +49 (0)931 4100-416
Fax +49 (0)931 4100-498
E-Mail: bernhard.brunner@isc.fraunhofer.de