Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

RWTH Aachen University, Diss., 2008.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Chemnitz.

Zugl.: Cottbus, Techn. University, Diss., 2009.

Zugl.: Bayreuth, Univ., Diss., 2009

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Sensors zur gleichzeitigen Bestimmung von Spannungsintensitätsfaktoren (K-Faktoren) und der Risslage. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden zwei Aufgaben zur Charakterisierung der Risse (Detektierung von Risslage und Größe und Quantifizierung des Beanspruchungszustandes an der Rissspitze) mit Hilfe nur eines Sensors ermöglicht. Es wurde effiziente, kostengünstige und leicht zu applizierende Technik zur experimentellen bruchmechanischen Beanspruchungsanalyse entwickelt. Eine Struktur mit Riss wird großflächig mit einer piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Folie (PVDF-Folie) beklebt und eine ausreichende Anzahl von Elektroden befindet sich im Bereich des möglichen/vorhandenen Risses. Die an den Elektroden abgegriffenen elektrischen Potentiale bzw. Ladungen sind ein Maß für die Verzerrungen an der Oberfläche des Bauteils und ermöglichen die Berechnung der bruchmechanischen Größen am Riss. Dabei beschränkte man sich auf die Anwendung des Sensorkonzeptes im Rahmen der Scheiben- und Plattentheorie.

Tato diplomová práce zkoumá flexibilní materiál k produkci elektřiny založený na piezoelektrickém polymeru Polyvinylidenfluorid (PVDF). Inkorporací piezoaktivní keramiky lze vlastnosti piezoelektrického polymeru PVDF významně zlepšit a převést na užitečnou elektrickou energii. PVDF byl vytvořen elektrostatickým zvlákňováním do vláken o tloušťce 1,5-0,3 µm a poté studován různými analytickými metodami. Tato práce nabízí popis elektrostatického zvlákňování, přípravu vzorků a teoretický úvod do analytických metod, kterým byly vzorky podrobeny. Morfologie a distribuce nanostrukturované keramiky do polymerní matrice PVDF byla pozorována použitím skenovací elektronové mikroskopie (SEM) a energiově disperzní spektroskopie (EDX). Pro tvorbu fáze a podrobné fázové složení byly vzorky charakterizovány infračervenou spektroskopií s Fourierovou transformací (FTIR). Práce také obsahuje analýzu s použitím Ramanovy spektroskopie, metody používané k identifikaci a porovnání chemických sloučenin. Elektrické vlastnosti byly studovány dielektrickou spektroskopií a je poskytnuta korelace se složením. Jednotlivé komponenty dotovaných vláken jsou charakterizovány a vyhodnocovány v souvislosti s jejich budoucím využitím v senzorech.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Sensors zur gleichzeitigen Bestimmung von Spannungsintensitätsfaktoren (K-Faktoren) und der Risslage. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden zwei Aufgaben zur Charakterisierung der Risse (Detektierung von Risslage und Größe und Quantifizierung des Beanspruchungszustandes an der Rissspitze) mit Hilfe nur eines Sensors ermöglicht. Es wurde effiziente, kostengünstige und leicht zu applizierende Technik zur experimentellen bruchmechanischen Beanspruchungsanalyse entwickelt. Eine Struktur mit Riss wird großflächig mit einer piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Folie (PVDF-Folie) beklebt und eine ausreichende Anzahl von Elektroden befindet sich im Bereich des möglichen/vorhandenen Risses. Die an den Elektroden abgegriffenen elektrischen Potentiale bzw. Ladungen sind ein Maß für die Verzerrungen an der Oberfläche des Bauteils und ermöglichen die Berechnung der bruchmechanischen Größen am Riss. Dabei beschränkte man sich auf die Anwendung des Sensorkonzeptes im Rahmen der Scheiben- und Plattentheorie.

Polymer and composite polymer-ceramic nanofibers were prepared by electrospinning process. Solution of 20 wt.% polyvinylidene fluoride (PVDF) in a mixture of dimethyl sulfoxide (DMSO) and acetone in the ratio of 7:3 was chosen as the most suitable precursor. When preparing composite nanofibers, 20 wt.% of barium calcium zirconate titanate (BCZT) or barium titanate (BT) nanoparticles was added to this PVDF solution. Given parameters were defined as the most suitable for the process of electrospinning: voltage of 50 kV, feeding rate of 30 l/min, distance between emitter and collector of 20 cm and needle diameter of 17 G. The effect of polymer molecular weight and the rotation speed of collector was also studied. Various properties of prepared samples were studied: morphology and fiber diameter, phase composition with the use of x-ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscopy and also chosen electrical properties. Lower fiber diameters appeared with lower polymer molecular weight and higher rotation speed of the collector. These parameters resulted in higher percentage of the piezoelectric phase as well. The smallest achieved fiber diameter was around 300 nm, the highest percentage of phase was 92 % and the highest piezoelectric constant had a value of 16 pC/N. Composite fibers filled with BT particles showed better properties that the ones filled with BCZT particles.