Strukturkonforme Integration von Piezokeramiken in Faserverbundwerkstoffe

Abstract

Die schnelle Entwicklung industrieller Produkte in Bereichen der Verkehrstechnik, des Maschinen- und Anlagenbaus, der Optik, der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrt stellt immer höhere Ansprüche an Material und Struktur. Adaptive Systeme, die sich über selbstregelnde Mechanismen an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen, bieten für viele Problemstellungen in den genannten Bereichen Lösungen an. Durch eine systemoptimale Verknüpfung von Sensoren und Aktuatoren mit adaptiven Reglern können adaptive Strukturen auf äußere Veränderungen reagieren. Ein wichtiger Aspekt dieser Technologie ist die Integration von Aktuatoren und Sensoren in einen Strukturwerkstoff. Die Faserverbundbauweise in Verbindung mit dünnen piezokeramischen Folien bietet sich hier besonders an, da die Piezofolien während des Herstellungsprozesses in den Verbund eingelegt werden und nach der Aushärtung einen festen Bestandteil des Werkstoffs darstellen. Auftretende Störungen, wie ungewollte Verformungen oder Schwingungen, können somit direkt am Ort der Entstehung kompensiert werden. Dadurch bietet sich im Vergleich zu konventionellen Lösungsansätzen, die z.B. Feder- oder Dämpferelemente verwenden, ein zusätzliches Leichtbaupotential. Daneben können durch die vielfältigen Variationsmöglichkeiten bei der Auswahl des Fasermaterials und in der Gestaltung des Lagenaufbaus die spezifischen Erfordernisse der aktiven Komponenten berücksichtigt werden. Um die sensorischen und aktuatorischen Eigenschaften der Piezokeramiken nutzen zu können, werden in den Verbundwerkstoff elektrische Leitungen auf Basis von Kohlenstoffasern integriert, die sich harmonisch in den Verbund einfügen. Die stromführenden Komponenten werden durch Isolationsschichten voneinander getrennt, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Dabei muß beachtet werden, daß durch die Isolationsschicht die Dehnungsübertragung von der Keramik auf die Struktur nicht beeinträchtigt wird. Besonders hohe Anforderungen werden an das Herstellungsverfahren gestellt, da sich die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Piezokeramiken im Vergleich zu den Faserverbundkomponenten erheblich unterscheiden, und die Keramiken zudem sehr spröde sind.