Belastungsmonitoring an Faserverbundwerkstoffen mittels hochempfindlicher Magnetfeldmessungen an eingelagerten Sensorfasern.
Final Report Abstract
Die dem Vorhaben zugrunde liegende Idee ist, die bei Belastung an speziellen Stahldrähten entstehende Magnetisierung zum Belastungsmonitoring an Faserverbundwerkstoffen auszunutzen, indem Sensorfasern in den Werkstoff eingebettet und die Magnetisierung mit geeigneter Messtechnik ausgelesen wird. Die bei Projektbeginn anvisierte Realisierung entsprechender Messanordnungen zum Belastungsmonitoring benötigt empfindliche Magnetfelddetektoren, die in der Nähe der Sensordrähte eine reproduzierbare Messung von deren Magnetisierung erlauben. Während SQUID Sensorik für Charakterisierungsmessungen an Sensordrähten und zur Untersuchung des Effekts von Nutzen ist, ist sie für eine robuste und kostengünstige Messanordnung für den praktischen Einsatz wenig geeignet. GMR Sensoren sind hier die bessere Wahl, da sie in unmittelbarer Nähe des Sensordrahtes angebracht werden können und die dort entstehenden Magnetfeldsignale mit ausreichendem Signal-zu-Rausch-Verhältnis nachweisen können. Aufgrund der Signalstärken kann jedoch auf eine Abschirmung äußerer Felder nicht verzichtet werden. Dieser Umstand und die prinzipiellen magnetischen Eigenschaften der Sensordrähte (gemäß Bericht der Forschungsstelle I, TU Chemnitz) lassen auf Basis der bisher gewonnenen Erkenntnisse die Nutzung des Effekts der spontanen Magnetisierung, hervorgerufen durch die martensitische Umwandlung, zur Aufzeichnung von Spitzenbelastungen an Bauteilen als wenig geeignet erscheinen. Die Bestimmung der Permeabilitätsänderung der Sensorfasern durch Messung der Induktivität von Spulenanordnungen, die in der Nähe von Sensorfasern platziert werden, scheint für ein Belastungsmonitoring aussichtsreicher als ein magnetisches Messverfahren mit diesen Fasern. Im Bericht der TU Chemnitz wurde bereits auf die materialwissenschaftliche Seite Bezug genommen. Es wurde dargestellt, dass für zukünftige Arbeiten das Interesse in der Ermittlung der auf die martensitische Transformation wirkenden Einflussfaktoren liegt. Da hier insbesondere das mikroskopische Verhalten und die Eigenschaften von Körnern wichtig sind, ist die magnetische Mikroskopie von Interesse. MFM (Magnetic Force Microscopy) Messungen in diesem Vorhaben haben demonstriert, dass diese Art der magnetischen Mikroskopie eine sehr geeignete Diagnosemethode darstellt. Da die magnetischen Momente der martensitischen Körner ausgeprägt sind, ist der Einsatz der experimentell aufwändigeren und von der Ortsauflösung (wegen der kryotechnischen Erfordernisse) deutlich begrenzteren SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) Mikroskopie weniger sinnvoll. Die im Vorhaben eingesetzte und z.T. speziell aufgebaute Sensorik lässt sich auch für andere ähnliche Problemstellungen einsetzen, auch wenn die angestrebte Nutzung der hier eingesetzten Stähle als Sensor für das magnetische Belastungsmonitoring nicht sinnvoll erscheint. So konnte gezeigt werden, dass die verwendeten SQUID-Multikanalsysteme die integrale quantitative Charakterisierung der Magnetisierung dünner Stahlproben gestatten, auch wenn diese in unmagnetisches Material eingebettet sind. Die hohe Empfindlichkeit der Systeme erlaubt sogar die Einbettung der Stahlproben in mehrere Zentimeter dicke und räumlich ausgedehnte Verbundmaterialstrukturen. Das ist für zukünftige Messungen auf diesem Gebiet von Interesse. Die hohe zeitliche Stabilität der SQUID Systeme und deren extreme Abschirmung gegen äußere magnetische Störungen gestatten inzwischen auch reine DC-Messungen. Die eingesetzten PTB SQUID-Messsysteme stehen prinzipiell auch externen Nutzern zur Verfügung. Die aufgebaute GMR-Messtechnik ist auch in anderen Bereichen der zerstörungsfreien Prüfung verwendbar. Konkret wird diese Messtechnik an der PTB jetzt auch für den Einsatz bei der Charakterisierung von Defekten an Solarzellen und für die Niedrigfeld-NMR getestet.
Publications
- Health-Monitoring von Verbundwerkstoffen. (17. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde). Bayreuth, 03.04.2009
Wielage, B.; Mäder, T.; Weber (Nestler), D.; Schurig, T.; Michaelis, B.; Mucha, H.; Leonhardt, G.
- Spontane Magnetisierung durch Gefügeumwandlung metastabiler Stähle als Sensoreffekt zur Belastungsdetektion. In: Wielage, Bernhard (Hrsg.). Tagungsband zum 12. Werkstofftechnischen Kolloquium in Chemnitz : 01.-02.10.2009. Chemnitz : Eigenverlag, 2009. (Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen, 35). – ISBN 978-3-00-029007-7, S. 308–317
Wielage, B.; Mäder, T.; Weber (Nestler), D.; Schurig, T.; Michaelis, B.
