Entwicklung eines mechano-elektrischen Sensorelements zur strukturellen Bauteilüberwachung von Naturfaserverbundwerkstoffen mittels hochfrequenter Wechselströme

Overview & Synopsis

In dieser Arbeit wird ein neuartiges Sensorelement vorgestellt, das die strukturelle Integrität von Naturfaserwerkstoffen mithilfe von hochfrequenten Wechselströmen in-situ überwacht. Mechanisch-dynamisch belastete Leiterwerkstoffe entwickeln eine charakteristische Oberflächenrauheit, welche in Wechselwirkung mit hochfrequenten Wechselströmen eine Bestimmung des Verschleißzustandes ermöglicht. Integriert in Naturfaserwerkstoffe sollen diese Leiter homogene und inhomogene Schädigungen detektieren. Diese Arbeit ist in vier Hauptbereiche gegliedert. Zunächst werden Ursachen und Einflussfaktoren für die Rauheitsbildung auf Leiterwerkstoffen beschrieben, welche die Wahl des Sensormaterials beeinflussen. Alle relevanten mechanische Belastungen führen zur Rauheitsbildung an der Leiteroberfläche, was eine Verschleißerkennung ermöglicht. Kupfer erweist sich aufgrund seines Schädigungsverhaltens und ökonomischer Aspekte als optimal für den Einsatz als elektromechanisches Sensorelement. Der zweite Teil behandelt das mechanische und elektrische Schädigungsverhalten starrer und verlitzter Leitungen ohne definierten Wellenwiderstand mit hochfrequenten Wechselströmen. Für starre Leitungen ist eine Abschätzung des Verschleißzustands mittels HF-Messtechnik möglich, da die Dämpfung über den mechanischen Verschleiß konstant zunimmt. Bei verlitzten Leitungen erschweren Ablösungen der Litzen vom Mantel die Lebensdauervorhersage. Daher werden starre Kupferleiter als Sensorarchitektur verwendet. Im dritten Teil wird die komplexwertige relative Permittivität des Naturfaserwerkstoffs zur impedanzkontrollierten Auslegung des Sensorelements bestimmt. Abschließend wird der Funktionsnachweis des neuen Sensorelements vorgestellt. Es zeigt sich, dass nicht allein die Oberflächenrauheit, sondern hauptsächlich eine Delamination des Sensorelements zu Änderungen der HF-Charakteristik führt. Es ist möglich, homogene und inhomogene Schädigungen von Naturfaserwerkstoffen mithilfe des neuartigen Sensorelements zu detektieren.