Intrinsisch überwachte Kohlenstofffaserverbunde durch Nutzung elektrischer Eigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Böl
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553258609

Die Grundidee des Forschungsvorhabens basiert auf der elektrischen Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern und deren Widerstandsänderung bei Dehnung. Mit diesem „Self-Sensing“-Ansatz wird eine Möglichkeit zur vollständigen Sensorintegration in Faserverbundstrukturen verfolgt. Da der integrierte Sensor und das umgebende Bauteil aus dem gleichen Material bestehen, können bei diesem Ansatz negative Auswirkungen des Sensors auf die mechanischen Eigenschaften des Materials aufgrund unterschiedlicher E-Moduln oder Ausdehnungskoeffizienten minimiert werden. Als Herstellungsverfahren für Sensoren aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) wird in diesem Forschungsvorhaben insbesondere das Pultrusionsverfahren untersucht, da es die kostengünstige Herstellung von Sensoren nahezu beliebiger Länge ermöglicht. Dies ist vor allem für den Einsatz in sehr großen Bauteilen, wie z.B. CFK-Gurten von Rotorblätter für Windkraftanlagen, interessant. Eine Dehnung des Sensors in Längsrichtung führt zu einer Widerstandsänderung. Dieses Phänomen ermöglicht den Einsatz von CFK zur Lastüberwachung von Strukturen. Bei piezoresistiven Sensoren beschreibt der k-Faktor die Empfindlichkeit des Sensors und stellt den Zusammenhang zwischen der normierten Widerstandsänderung und der Dehnung dar. Die Literaturrecherche deutet darauf hin, dass der k-Faktor von Kohlenstofffasern bei etwa 2 liegt, was dem Wert von konventionellen Dehnungsmessstreifen entspricht, so dass diese Sensoren für die Belastungsüberwachung von Strukturen vielversprechend sind. Eine integrierte Strukturüberwachung kann den Bedarf an aufwendigen Inspektionen reduzieren und damit Ausfallzeiten und Kosten senken. Weitere denkbare Anwendungen sind beispielsweise die Überwachung von Brücken oder Aufzugsseilen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Michael Sinapius