Autor: Ingo Johannsen

In dieser Arbeit wird das Potential thermoplastischer Fasern, die mit Kohlenstoffnanopartikeln versetzt sind, zur Erfassung von Dehnungen und Sch¨aden in Faser- Kunststoff-Verbunden untersucht. Die Fasern werden als Sensor mit piezoresistiven Eigenschaften eingesetzt, der auf Verformungen mit einer ¨Anderung des elektrischen Widerstandes reagiert. Die Herstellung der Fasern erfolgt durch Dispergierung der elektrisch leitf¨ahigen Kohlenstoffnanor¨ohrchen (engl. Carbon Nanotubes, CNTs) in eine thermoplastische Matrix mit anschließender Faserproduktion im Schmelzspinnverfahren. Fasern mit einem gewichtsspezifischen F¨ullstoffgehalt von 8wt.% und 12wt.%, sowie getemperte Fasern mit 6wt.% sind leitf¨ahig und werden f¨ur die Analysen herangezogen. Ein Hauptaugenmerk der Untersuchungen liegt auf der Leitf¨ahigkeit der Fasern in Abh¨angigkeit von ihren Material- und Herstellungsparametern, sowie auf dem Einfluss durch ihre Einbettung in Epoxidharz und einer optionalen W¨armebehandlung. Das piezoresistive Verhalten wird in Zugversuchen analysiert, wobei die charakteristischen Sensorkennlinien ermittelt werden. Daf¨ur kommen Materialzugproben mit Einzelfasern, sowie mit Fasern in duroplastischer Umgebung zum Einsatz. Die Ergebnisse werden in Korrelation zum Spannungs-Dehnungs-Verhalten und zu Verformungserscheinungen beurteilt. Das theoretische Modell des Ladungstr¨agertransportes in Verbundmaterial aus leitf¨ahigen Partikeln in Isolatoren wird zur anschaulichen Erkl¨arung der Versuchsergebnisse herangezogen. Durch Parameterstudien wird der Einfluss der Materialzusammensetzung und Faserverstreckung auf das piezoresistive Verhalten der Fasern analysiert. Messungen zu Signalrauschen, Temperaturund Feuchtigkeitseinfluss sowie dem Verhalten unter zyklischer Belastung werden erg¨anzend durchgef¨uhrt. Die Erkenntnisse dieser Arbeit werden abschließend beispielhaft auf einen Demonstrator ¨ubertragen, wobei die piezoresistiven Fasern in einen mehrschichtigen glasfaserverst ¨arkten Kunststoff integriert werden und dort sowohl die Materialdehnung, als auch den potentiellen Schadensfortschritt erfolgreich detektieren. Es er¨offnen sich damit neue M¨oglichkeiten f¨ur die in situ Last- und Schadens¨uberwachung.