Entwicklung eines Graphen-basierten Sensors zur Strukturuntersuchung im Bereich Structural Health Monitoring Unter dem Buzzword Industrie 4.0 wird zunehmend die Entwicklung intelligenter, selbstüberwachender Systeme in Industrieprozessen, Anlagen, Maschinen bis hin zu Strukturen gefordert. Dabei ist das Interesse für das Structural Health Monitoring mit seinen Teildisziplinen signifikant angestiegen. Die Implementierung von intelligenten Werkstoffen, den Smart Materials sowie Sensoren und Aktoren zur dauerhaften Strukturüberwachung stellen Teildisziplinen im SHM dar und sind daher für Forschung und Entwicklung von zunehmender Bedeutung. Abbildung 1: Bausteine des SHM und Implementierung von Graphen im Kontext von Smart Materials und Sensoren. (In Anlehnung an [1])
Graphen gilt auf Grund außerordentlicher intrinsischer Eigenschaften als ein Werkstoff mit einem enormen Anwendungspotential.[2] Die Wissenschaftler Andre Geim und Konstantin Novoselov erhielten für die Entdeckung und Erforschung des Materials im Jahre 2010 den Nobelpreis für Physik. Die theoretisch und experimentell nachgewiesenen mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Graphen sind außergewöhnlich vielversprechend. Graphen besitzt einen sehr hohen Elastizitätsmodul von etwa 1000 GPa und eine maximale Bruchfestigkeit von etwa 120 GPa, bei einer elastischen Dehnbarkeit von bis zu 25 %.[3][4]
Im wissenschaftlichen Bereich werden bereits piezoelektrische, (piezo-) resistive, faseroptische und optische Sensoren zur Strukturuntersuchung genutzt. Aufgrund der Sensitivität von piezoresistiven Dehnungssensoren aus Graphen und der ultimativen Dünne sowie Robustheit der Schichten bietet dieses Material ebenfalls das Potential zur Entwicklung neuartiger Sensorkonzepte im Bereich des Structural Health Monitoring.[5] Neben der Oberflächenapplikation der Dünnschichtsensoren eröffnet die Integrierbarkeit von Graphen in Strukturen, ohne die Eigenschaften (Steifigkeit, Gewicht etc.) des zu untersuchenden Bauteils zu verändern, weitere Möglichkeiten für Sensoranwendungen im wissenschaftlichen und industriellen Bereich. Quellen: [1] Balageas, D.; Fritzen, C.-P.; Güemes, A. (2006): Structural health monitoring. London, Newport Beach, CA: ISTE [2] Ferrari, A.C.; et al., (2014): Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems,” In: Nanoscale, 2014. [3] Lee, Changgu; Wei, Xiaoding; Kysar, Jeffrey W.; Hone, James (2008): Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. In: Science, 321 (5887), S. 385–388 [4] Tomori, Hikari; Kanda, Akinobu; Goto, Hidenori; Ootuka, Youiti; Tsukagoshi, Kazuhito; Moriyama, Satoshi et al. (2011): Introducing Nonuniform Strain to Graphene Using Dielectric Nanopillars. In: Appl. Phys. Express 4 (7), S. 075102 [5] Hosseinzadegan, H.; Todd, C.; Lal, A.; Pandey, M.; Levendorf, M.; Park, J.: Graphene has ultra high piezoresistive gauge factor (2012), IEEE 25th Int. Conf. on Microelectromechanical Systems (MEMS), S. 611–614 |
