Polymerbasierte Leichtbaumaterialien (LMs) werden zunehmend als Konstruktionswerkstoffe im Transportwesen (Automobilbau, Luft- und Schifffahrt, Schienenverkehr), in der zivilen Infrastruktur, im Bauwesen und in der Energietechnik eingesetzt, um Energie, Gewicht und Ressourcen einzusparen, sowie den Ausstoß klimaschädlicher Treibhausgase zu reduzieren. Sie besitzen eine hohe Festigkeit, Stabilität, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und können energie-, kosten- und ressourceneffizient hergestellt werden. Stoffliche Änderungen können irreversible Schäden am LM hervorrufen und zum frühzeitigen Materialversagen führen. Daher ist eine Materialüberwachung sinnvoll. Die vorliegende Arbeit untersucht einen neuartigen Sensoransatz zur Zustandsüberwachung von LMs mittels passiver und strukturintegrierter elektromagnetischer Resonatorarrays (RAs). Sie zeichnen sich durch regelmäßig zueinander angeordnete Subwellenlängenresonatoren aus, die in Drucktechnologie umgesetzt und mittels Spritzgieß- oder Vakuum-Infusionstechnologie in die LMs integriert werden. Stoffliche Veränderungen bewirken ein verändertes elektromagnetisches Resonanzverhalten der RAs, dass per Reflexionsmessung kontaktlos ausgewertet werden kann. Es werden reflexionsbasierte Sensorkonzepte durch den Einsatz mehrlagiger RAs erarbeitet und das Reflexionsverhalten numerisch mittels der Finiten-Elemente-Methode analysiert und die betrachteten RAs exemplarisch umgesetzt, integriert und hinsichtlich ihrer Sensorfunktion bewertet.:1 Einleitung 2 Elektromagnetische Felder, Wellen und deren Wechselwirkung mit Materie 3 Entwicklung von Subwellenlängen Resonatorarrays 4 Realisierung eines Messverfahrens zur Bewertung der Eigenschaften der entwickelten Resonatorarrays 5 Applikationsszenarien 6 Ergebnisbewertung und Auswertung Anhang

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen, autarken, folienbasierten Sensorsystems für die Belastungsdetektion an Leichtbaumaterialien. Das integrierte Sensorsystem ist in der Lage mechanische Belastungen über die Photolumineszenz von Quantum Dots visuell darzustellen, wodurch strukturelle Defekte in Leichtbaumaterialien frühzeitig erkannt und ein Totalausfall einer gesamten Leichtbaukonstruktion verhindert werden kann. Dies führt neben einer erhöhten Sicherheit einzelner Komponenten und kompletter Konstruktionen auch zu Gewichts-, Kosten- und Rohstoffersparnissen. Die gezielte Beeinflussung der Photolumineszenz von Quantum Dots durch Ladungsträgerinjektion als Hauptmechanismus des Sensorsystems erfordert spezielle Lagenaufbauten von Dünnschichtsystemen. Durch die Kombination dieser Dünnschichtsysteme mit piezoelektrischen Materialien entsteht ein autarkes Sensorsystem, wodurch eine Auswertung, Visualisierung und Speicherung der Information über eine stattgefundene mechanische Belastung an Leichtbaumaterialien auf kleinsten Raum erreicht wird.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Autarker Sensor für mechanische Beanspruchungen 2.1 Sensorkonzept, -aufbau und Funktionsweise 2.2 Anforderungen an die Funktionalität 2.3 Stand der Technik 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Quantum Dots 3.1.1 Größenquantisierungseffekt 3.1.2 Photolumineszenz 3.1.3 Aufbau und Materialien 3.1.4 Kommerziell erhältliche Quantum Dots 3.2 Mechanismen zur Beeinflussung der Photolumineszenz 3.2.1 Ladungsträgerinjektion in den QD Kern 3.2.2 Feldinduzierte Ionisation des Exzitons 3.2.3 Weitere Mechanismen 3.3 Ladungsträgertransportschichten 3.3.1 Poly(N-vinylkarbazol) 3.3.2 N,N,N´,N´-Tetrakis(3-methylphenyl)-3,3´-dimethylbenzidin 3.3.3 Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) 3.4 Lithiumfluorid als elektrischer Isolator 3.5 Modellsysteme 3.5.1 Einbettung der QDs in organische Lochtransportschichten 3.5.2 QDs zwischen Elektrode und organischer Lochtransportschicht 3.5.3 QDs zwischen Elektrode und Nichtleiter 4 Experimentelle Vorgehensweise 4.1 Layout und Kontaktierung von Teststrukturen 4.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 4.2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 4.2.2 Rotationsbeschichtung 4.2.3 Weitere Verfahren 4.3 Charakterisierung der Schichten und der Gesamtfunktionalität 4.3.1 Mikrospektroskopieaufbau 4.3.2 Weitere Messverfahren 4.4 Integration der Schichtstapel in Faserkunststoffverbund 5 Experimentelle Untersuchungen 5.1 Einordnung der einzelnen Schichten der Modellsysteme 5.1.1 Elektroden 5.1.2 Matrixmaterial und Quantum Dots 5.2 Einordnung des elektrischen Verhaltens der Modellsysteme 5.2.1 Modellsystem I 5.2.2 Modellsystem II 5.2.3 Modellsystem III 5.3 Einfluss externer Beleuchtung am Modellsystem II und III 5.3.1 Modellsystem II 5.3.2 Modellsystem III 5.4 Wiederholbarkeit der elektrischen Beanspruchung am Modellsystem III 5.4.1 Photolumineszenzintensität 5.4.2 Stromdichte 5.4.3 Gesamtwiderstand im Schichtstapel 5.5 Einfluss des elektrischen Feldes am Modellsystem III 5.5.1 Photolumineszenzintensität 5.5.2 Stromdichte 5.5.3 Widerstand 5.6 Einfluss der Integration auf das Verhalten von Modellsystem III 5.6.1 Optisches Verhalten der Laminiertasche und des Harzsystems 5.6.2 Funktionalität des Schichtstapels nach der Integration 5.7 Temperaturwechseltest am integrierten Schichtstapel 5.8 Speicherzeit elektrischer Ladungsträger am Modellsystem III 5.8.1 Stabilität des Lasers und der PL Intensität 5.8.2 Reproduzierbarkeit 5.8.3 Langzeitmessung 5.9 Kopplung des Schichtsystems mit piezoelektrischem Element 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Anhang A : Layouts für untere Elektrode E1 und obere Elektrode E2 Anhang B : Halter für die Kontaktierung der Teststrukturen Anhang C : Frontpanel zur Aufnahme der Photolumineszenz Anhang D : Messdaten Profilometer Veeco Dektak 150 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Lebenslauf / This work focuses on the development of a novel, self-sufficient, film-based sensor system for load detection on lightweight materials. The integrated sensor system is capable to visualize mechanical loads on lightweight structures by quenching the photoluminescence of quantum dots. Structural defects in lightweight materials can thus be detected at an early stage and total failure of an entire lightweight structure can be prevented. In addition to increased safety of individual components and complete structures, this also leads to weight, cost and raw material savings. The quenching of the photoluminescence of quantum dots by charge carrier injection as the main mechanism of the sensor system requires special thin-film layer stacks. By combining these thin-film layer stacks with piezoelectric materials, a self-sufficient sensor system is created. An evaluation, visualization and storage of the information about a mechanical load that has taken place on lightweight materials is thus achieved in a very small space.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Autarker Sensor für mechanische Beanspruchungen 2.1 Sensorkonzept, -aufbau und Funktionsweise 2.2 Anforderungen an die Funktionalität 2.3 Stand der Technik 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Quantum Dots 3.1.1 Größenquantisierungseffekt 3.1.2 Photolumineszenz 3.1.3 Aufbau und Materialien 3.1.4 Kommerziell erhältliche Quantum Dots 3.2 Mechanismen zur Beeinflussung der Photolumineszenz 3.2.1 Ladungsträgerinjektion in den QD Kern 3.2.2 Feldinduzierte Ionisation des Exzitons 3.2.3 Weitere Mechanismen 3.3 Ladungsträgertransportschichten 3.3.1 Poly(N-vinylkarbazol) 3.3.2 N,N,N´,N´-Tetrakis(3-methylphenyl)-3,3´-dimethylbenzidin 3.3.3 Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) 3.4 Lithiumfluorid als elektrischer Isolator 3.5 Modellsysteme 3.5.1 Einbettung der QDs in organische Lochtransportschichten 3.5.2 QDs zwischen Elektrode und organischer Lochtransportschicht 3.5.3 QDs zwischen Elektrode und Nichtleiter 4 Experimentelle Vorgehensweise 4.1 Layout und Kontaktierung von Teststrukturen 4.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 4.2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 4.2.2 Rotationsbeschichtung 4.2.3 Weitere Verfahren 4.3 Charakterisierung der Schichten und der Gesamtfunktionalität 4.3.1 Mikrospektroskopieaufbau 4.3.2 Weitere Messverfahren 4.4 Integration der Schichtstapel in Faserkunststoffverbund 5 Experimentelle Untersuchungen 5.1 Einordnung der einzelnen Schichten der Modellsysteme 5.1.1 Elektroden 5.1.2 Matrixmaterial und Quantum Dots 5.2 Einordnung des elektrischen Verhaltens der Modellsysteme 5.2.1 Modellsystem I 5.2.2 Modellsystem II 5.2.3 Modellsystem III 5.3 Einfluss externer Beleuchtung am Modellsystem II und III 5.3.1 Modellsystem II 5.3.2 Modellsystem III 5.4 Wiederholbarkeit der elektrischen Beanspruchung am Modellsystem III 5.4.1 Photolumineszenzintensität 5.4.2 Stromdichte 5.4.3 Gesamtwiderstand im Schichtstapel 5.5 Einfluss des elektrischen Feldes am Modellsystem III 5.5.1 Photolumineszenzintensität 5.5.2 Stromdichte 5.5.3 Widerstand 5.6 Einfluss der Integration auf das Verhalten von Modellsystem III 5.6.1 Optisches Verhalten der Laminiertasche und des Harzsystems 5.6.2 Funktionalität des Schichtstapels nach der Integration 5.7 Temperaturwechseltest am integrierten Schichtstapel 5.8 Speicherzeit elektrischer Ladungsträger am Modellsystem III 5.8.1 Stabilität des Lasers und der PL Intensität 5.8.2 Reproduzierbarkeit 5.8.3 Langzeitmessung 5.9 Kopplung des Schichtsystems mit piezoelektrischem Element 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Anhang A : Layouts für untere Elektrode E1 und obere Elektrode E2 Anhang B : Halter für die Kontaktierung der Teststrukturen Anhang C : Frontpanel zur Aufnahme der Photolumineszenz Anhang D : Messdaten Profilometer Veeco Dektak 150 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Lebenslauf