Eigenschaften und spezielle Phänomene von Dehnungssensoren aus Kohlenstoffpartikel-Elastomerverbunden

Abstract

Zusammenfassung Eine häufig untersuchte Materialklasse für Anwendungen, die hochdehnbare und nachgiebige Sensoren erfordern, sind Elastomere mit einem perkolativen Netzwerk aus Kohlenstoffpartikeln, z.B. Leitruß oder Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT Carbon Nano Tubes). Diese haben für neuartige Anwendungen wie weiche Roboter oder Smart Textiles einige Vorteile gegenüber den etablierten Dehnmessstreifen. Gleichzeitig ist ihre Funktionsweise aber noch nicht ausreichend verstanden. Solche Materialien werden in dieser Arbeit als Dehnungssensoren in Bezug auf ihr dynamisches Verhalten untersucht und ihre aktuellen Limitierungen aufgezeigt. Dabei wird ersichtlich, dass derartige Sensoren unter dynamischen Belastungen eine nicht monotone Kennlinie aufweisen, die sich deutlich von der in quasi-statischen Versuchen unterscheidet. Aus den Ergebnissen und einem aufgestellten Netzwerkmodell werden zwei Strategien zur Verbesserung der Sensoreigenschaften abgeleitet, modelliert und experimentell analysiert. Erstens werden durch einen Schmelzspinnprozess verschiedene Grade von Anisotropie realisiert, der die CNT-Füllpartikel in Prozessrichtung orientiert. Zweitens wird durch eine zusätzliche auxetische Trägerstruktur eine lokal negative Querkontraktion erzeugt. Während die dadurch erzeugte Anisotropie nicht ausreichend ist, um eine Verbesserung der Sensoreigenschaften zu erreichen, kann die Dehnungssensitivität durch die auxetische Struktur deutlich gesteigert werden.