Dielektrische Messungen an aushärtenden Epoxidharzsystemen mittels akustischen Oberflächenwellen

Abstract

Nachdem Faserverbundwerkstoffe gute mechanische Eigenschaften bei vergleichsweise niedrigem Gewicht aufweisen, sind sie ein Schlüssel zur Erhaltung des bisherigen Komforts der Mobilität bei gleichzeitiger Reduzierung der Emissionen. Auch in der Luftund Raumfahrt, wo Treibstoffkosten einen hohen Kostenfaktor ausmachen, spielen diese Materialien heute schon eine wichtige Rolle. Allerdings ist die Fertigung von diesen Bauteilen recht anspruchsvoll, weil das Fasermaterial oftmals mit dem Harz durch Vakuuminfusion infiltriert werden muss. Des Weiteren kann die chemische Reaktion, welche zur Verfestigung des Klebstoffes führt, unterschiedlich schnell Verlaufen, zum Beispiel bei unterschiedlichen Temperaturen im Bauteil. Als Klebstoffe kommen meist Kunstharze auf Basis von Epoxiden sowie entsprechende Härter zum Einsatz. Daher existiert ein Interesse an Möglichkeiten für In-Situ-Messungen während des Härtevorgangs, um Prozesszeiten und Ausschuss zu reduzieren und die Prozessautomatisierung zu verbessern. Es gibt bereits einige etablierte Methoden zur Überwachung solcher Prozesse: Kabelgebundene dielektrische Analyse (DEA) bis etwa 1MHz kann mittels fest in einer Form verbauten oder mit flachen Sensoren mit Elektrodenstrukturen erfolgen. Des weiteren sind Messungen mittels Ultraschall sowie Faseroptiken möglich. Im Rahmen einer Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt wurden neue Monitoring-Verfahren auf Basis akustischer Oberflächenwellen (englisch SAW für surface acoustic waves) untersucht. Für die hochfrequenten Messsignale scheint es eine gute Korrespondez mit den Messdaten dielektrischer Spektroskopie im gleichen Frequenzbereich zu geben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Harzsysteme mittels dielektrischer Spektroskopie vermessen. Des weiteren wurden mögliche Sensordesigns auf Basis reflektierter akustischer Oberflächenwellen, welche die Erfassung der elektrischen Impedanz ermöglichen, untersucht. Durch das zeitverzögerte Antwortverhalten eignen sich solche Sensordesigns besonders für passive Drahtlossensoren sowie zur parallelen Erfassung mehrerer Messgrößen. Für solche Sensorsysteme mag sich ein Anwendungsbereich ergeben, nämlich wenn für komplexe Bauteilgeometrien, die Überwachung neuer Infiltrationsmethoden oder Temperaturprogramme ein Interesse an einmal verwendbaren Sensoren besteht, welche zuverlässig arbeiten und durch eine Drahtlosabfrage unkompliziert in den Prozess integriert werden können. Des weiteren wurde die Entwicklung von Sensoren vorangetrieben, welche drahtloskontaktlose Messungen - zum Beispiel durch Folien hindurch - durch große Eindringtiefen ermöglichen. Parallel wurden etablierte Messmethoden wie Rheologie, DSC-Untersuchungen und Impedanzanalyse im niedrigen Frequenzbereich verwendet, um die Ergebnisse der Arbeit zu validieren.