Eigenschaften und spezielle Phänomene von Dehnungssensoren aus Kohlenstoffpartikel-Elastomerverbunden

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.
Abstract: A frequently studied class of materials for applications requiring high-elongation and compliant sensors are elastomers with a percolative network of carbon particles. These have some advantages over established strain gauges for novel applications such as soft robots or smart textiles. However, their functionality is not yet sufficiently understood. Such materials are investigated in this work as strain sensors with respect to their dynamic behavior and their current limitations are shown. It becomes apparent that such sensors exhibit a non-monotonic characteristic under dynamic loads, which differs significantly from that in quasi-static tests. From the results and an electro-mechanical network model, two strategies for improving the sensor characteristics are derived, modeled, and experimentally analyzed. First, different degrees of anisotropy are realized by a melt-spinning process that orients the carbon nanotube particles in the process direction. Second, an additional auxetic support structure is used to generate a local negative transverse contraction. While the resulting anisotropy is not sufficient to achieve better sensor properties, the strain sensitivity can be significantly improved by the auxetic structure.

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Deutsch

References and Relationships

• Bibliographic citation: Eigenschaften und spezielle Phänomene von Dehnungssensoren aus Kohlenstoffpartikel-Elastomerverbunden ; volume:89 ; number:s1 ; year:2022 ; pages:49-54 ; extent:6 ; Technisches Messen ; 89, Heft s1 (2022), 49-54 (gesamt 6)

Contributors, Places and Time

• Creator: Mersch, Johannes ; Gerlach, Gerald

Further information

• DOI: 10.1515/teme-2022-0056
• URN: urn:nbn:de:101:1-2022082914332135420184
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 15.08.2025, 7:29 AM CEST