In this study, we propose a multi-walled carbon nanotube epoxy composite sensor for force and pressure sensing in the range of 50 N–2 kN. A manufacturing procedure, including material preparation and deposition techniques, is proposed. The electrode dimensions and the layer thickness were optimized by the finite element method. Temperature compensation is realized by four nanocomposites elements, where only two elements are exposed to the measurand. In order to investigate the influence of the filler contents, samples with different compositions were prepared and investigated. Additionally, the specimens are characterized by cyclical and stepped force/pressure loads or at defined temperatures. The results show that the choice of the filler content should meet a compromise between sensitivity, temperature influence and noise behavior. At constant temperature, a force of at least 50N can be resolved. The measurement error due to the temperature influence is 150N in a temperature range of –20°C–50°C.

Particle-based films are today an important part of various designs and they are implemented in structures as conductive parts, i.e., conductive paste printing in the manufacture of Li-ion batteries, solar cells or resistive paste printing in IC. Recently, particle based films were also implemented in the 3D printing technique, and are particularly important for use in aircraft, wind power, and the automotive industry when incorporated onto the surface of composite structures for protection against damages caused by a lightning strike. A crucial issue for the lightning protection area is to realize films with high homogeneity of electrical resistance where an in-situ noninvasive method has to be elaborated for quality monitoring to avoid undesirable financial and time costs. In this work the drying process of particle based films was investigated by high-frequency eddy current (HFEC) spectroscopy in order to work out an automated in-situ quality monitoring method with a focus on the electrical resistance of the films. Different types of particle based films deposited on dielectric and carbon fiber reinforced plastic substrates were investigated in the present study and results show that the HFEC method offers a good opportunity to monitor the overall drying process of particle based films. Based on that, an algorithm was developed, allowing prediction of the final electrical resistance of the particle based films throughout the drying process, and was successfully implemented in a prototype system based on the EddyCus® HFEC device platform presented in this work. This prototype is the first solution for a portable system allowing HFEC measurement on huge and uneven surfaces.

Die Arbeit widmet sich der Simulation und der Prognose des Materialverhaltens des Hochleistungsverbundwerkstoffes Textilbeton unter Zugbeanspruchungen. Basierend auf einer hierarchischen mechanischen Modellbildung (Multi-Skalen-Analyse) werden die Tragmechanismen des Verbundwerkstoffes auf drei Strukturebenen abgebildet. Damit lassen sich die den Verbundwerkstoff charakterisierenden mechanischen Kenngrößen aus experimentell ermittelten Kraft-Verschiebungs-Abhängigkeiten ableiten. Diese Kenngrößen sind mit heutiger Messtechnik nicht direkt experimentell bestimmbar. Es wird ein Mikro-Meso-Makro-Prognosemodell (MMM-Prognosemodell) für Textilbeton entwickelt, das basierend auf der Simulation des Mikrostrukturverhaltens das makroskopische Materialverhalten prognostiziert. Die Grundlage dafür bildet die qualitative und quantitative Bestimmung der Verbundeigenschaften zwischen der Filamentbewehrung und der einbettenden Matrix. Für das Verbundverhalten von Rovings in einer Feinbetonmatrix wird, ausgehend von einer Rovingapproximation mit superelliptischem Querschnitt, die partielle Imprägnierung des Rovings und die daraus resultierende Verbundwirkung identifiziert und simuliert. Auf Grundlage der mikro- und mesomechanischen Modelle sowie der Kalibrierung und Verifizierung des MMM-Prognosemodells durch die Simulation von Filament- und Rovingauszugsversuchen wird das makroskopische Zugverhalten von Textilbeton mit Mehrfachrissbildung prognostiziert. Die numerischen Ergebnisse werden durch die Ergebnisse der experimentellen Dehnkörperversuche validiert. Das MMM-Prognosemodell für Textilbeton wird im Rahmen einer hierarchischen Multi-Skalen-Analyse auf Zugversuche von Textilbetonbauteilen angewendet. Weiterhin wird die Verstärkungswirkung einer Textilbetonschicht an Stahlbetonbauteilen unter Biegebeanspruchung zutreffend simuliert. Es wird das nichtlineare Bauteilverhalten abgebildet, wobei die Bauteildurchbiegung, die effektiven Rovingbeanspruchungen und die Beanspruchungen der Filamente im Roving abgebildet werden. / The present work deals with the simulation and the prediction of the effective material behavior of the high performance composite textile reinforced concrete (TRC) subjected to tension. Based on a hierarchical material model within a multi scale approach the load bearing mechanisms of TRC are modeled on three structural scales. Therewith, the mechanical parameters characterizing the composite material can be deduced indirectly by experimentally determined force displacement relations obtained from roving pullout tests. These parameters cannot be obtained by contemporary measuring techniques directly. A micro-meso-macro-prediction model (MMM-PM) for TRC is developed, predicting the macroscopic material behavior by means of simulations of the microscopic and the mesoscopic material behavior. The basis is the qualitative and quantitative identification of the bond properties of the roving-matrix system. The partial impregnation of the rovings and the corresponding varying bond qualities are identified to characterize the bond behavior of rovings in a fine-grained concrete matrix. The huge variety of roving cross-sections is approximated by superellipses on the meso scale. The macroscopic behavior of TRC subjected to tension including multiple cracking of the matrix material is correctly predicted on the basis of the micro- and meso-mechanical models. The calibration and verification of the MMM-PM is performed by simulations of roving pullout tests, whereas a first validation is carried out by a comparison of the numerical predictions with the experimental data from tensile tests. The MMM-PM for TRC is applied to tensile tests of structural members made of TRC. Furthermore, a steel-reinforced concrete plate strengthened by a TRC layer is accurately simulated yielding the macroscopic deflection of the plate, the mesoscopic stress state of the roving and the microscopic stresses of the filaments.

Textilbewehrter Beton ist ein Verbundwerkstoff aus einer Feinbetonmatrix und einer kraftgerichteten textilen Bewehrung aus ARGlasfaser- oder Carbongelegen. Die heterogene Materialstruktur der textilen Bewehrung im Verbundbaustoff Textilbeton führt zu einem komplexen Tragverhalten mit einer Vielzahl sich zum Teil gegenseitig in ihrer Wirkung beeinflussender Effekte. Aufgrund der abweichenden Material- und Verbundeigenschaften können für die Bemessung von textilbewehrten Betonbauteilen die aus dem Stahlbetonbau bekannten Modelle nicht pauschal übertragen werden. In diesem Beitrag werden die wesentlichen Erkenntnisse experimenteller Untersuchungen von textilbewehrten Elementen unter Biege- und Querkraftbeanspruchung dargestellt, die Mechanismen des Tragverhaltens beschrieben und empirisch abgeleitete Berechnungsmodelle vorgestellt.

Mit zunehmendem Alter zeigt das Verbundverhalten von Multifilamentgarnen aus alkaliresistentem Glas (AR-Glas) oder Kohlenstoff in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der zementgebundenen Matrix eine sehr unterschiedliche Entwicklung. Während bei AR-Glas teilweise drastische Verluste des Leistungsvermögens zu verzeichnen sind, treten diese bei Kohlefasern nicht auf. Zur Untersuchung der Phänomene wurden beidseitige Garnauszugversuche durchgeführt und die Interphase zwischen Filamenten und Matrix im Rasterelektronenmikroskop (ESEM) untersucht. Die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften stehen in Zusammenhang mit verschieden ausgeprägten Mikrostrukturen der Interphasen. Welche Ursachen die unterschiedliche morphologische Entwicklung der Interphasen hat, ist Gegenstand aktueller Arbeiten.

- Matrix modification of jute/polypropylene composites with MAHgPP - Fibre surface modification for epoxy/jute composites, including: NaOH treatment, silane coupling agents, epoxy dispersion and their combinations - Investigation the influence of modification on the performance of jute fibre and jute compostites. / Untersuchungen zum mechanischen und thermischen Verhalten sowie zur Benetzung von Jute­fasern im Ausgangszustand, nach Entwachsen und nach Oberflächenmodifikation, mit dem Ziel einer Verwendung als Verstärkungsfasern in Verbundwerkstoffen. Untersuchungen zum mechanischen und thermischen Verhalten sowie zur hygrothermischen Alterung von Jute/Polypropylen (PP) Verbunden. Einfluss des PP-Typs, der Modifizierung der Matrix mit Maleinsäureanhydrid gepfropftem PP und des Faservolumengehalts.Untersuchung der Grenzschicht in Jute/Epoxidharz Verbunden in Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften nach Alkalibehandlung und Oberflächenmodifikation der Jutefasern. Jutefasern haben gute spezifische mechanische Eigenschaften. Die Einzelfasereigenschaften unterliegen der bei Naturfasern üblichen Streuung der mechanischen Eigenschaften. Im Gegensatz zu konventionellen Verstärkungsfasern (Glas, Carbon) nimmt wachstumsbedingt mit zunehmendem Faserquerschnitt die Festigkeit tendenziell zu. Faseroberflächenbehandlungen verbessern die Benetzbarkeit, erhöhen die thermische Stabilität und reduzieren die Feuchteaufnahme sowie den Diffusionskoeffizient. Jute/Polypropylen-Verbunde Chemische und physikalische Wechselwirkungen zwischen Faser und MAHgPP nach optimierter Kopplerauswahl verbessern in Abhängigkeit vom PP-Typ die Grenzflächenscherfestigkeit und die mechanischen Eigenschaften. Durch Einbeziehen der Grenzflächeneigenschaften können mit einer modifizierten Mischungsregel die Zugfestigkeiten der Verbunde beschrieben werden. Jute/Epoxidharz-Verbunde Faseroberflächenbehandlungen mit Natronlauge, Organosilanen, Epoxiddispersionen und deren Kombinationen führen zu verbesserter Benetzung, reduzierter Wasseraufnahme und verbesserter Haftung sowie verbesserten mechanischen Eigenschaften in Jute/Epoxidharz-Verbunden.

Für den Prozeß des Fügens von Keramik bzw. Keramik mit Metall ergeben sich zahlreiche Probleme, die aus den Eigenschaften der Keramik und den Eigenschaftsdifferenzen zwischen Keramik und Metall resultieren. Unterschiedliche physikalische und mechanische Werkstoffkennwerte bewirken ein zumeist hohes Eigenspannungsniveau des Verbundes, welches in Verbindung mit dem spröden Bruchverhalten keramischer Materialien deren Fügbarkeit verhindert oder einschränkt. Als aussichtsreicher Ansatz bietet sich die Eigenschaftsanpassung des Aktivlotes durch dessen Modifikation mit verstärkenden Materialien an. Es wird ein Konzept für die Herstellung und den Einsatz verstärkter Aktivlote vorgestellt. Theoretische Grundlagen werden durch die Berechnung der Eigenschaften derartiger Lote auf der Basis bewährter Methoden der Verbundwerkstofftheorien geschaffen. Die Simulation mechanisch-thermischer Eigenschaften von Lötverbindungen mit verstärkten Aktivloten unter Einsatz der Methode der finiten Elemente dient dem Erfassen des Spannungsverhaltens. Richtlinien für die Wahl geeigneter Verstärkungskomponenten werden festgelegt. Es wird ein Überblick über geeignete Herstellungsmethoden, deren praktische Realisierung und die Wechselwirkung mit dem Prozeß des Aktivlötens gegeben. Die Bewertung von Aktivlötverbindungen mit verstärkten Loten im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wird auf Grundlage der Ergebnisse von Festigkeitsuntersuchungen vorgenommen.

With the advancements in the field of wireless sensor networks (WSNs), more and more applications require the sensor nodes to have long lifetime. Energy harvesting sources, e.g. thermoelectric generators (TEGs), can be used to increase the lifetime and capability of the WSNs. Integration of energy harvesters into sensor nodes of WSNs can realize self powered systems, providing the possibility for maintenance free WSNs. TEGs can convert the existing temperature differences into electricity. The efficiency of TEGs is directly related to the dimensionless figure of merit (ZT) of materials, which is given as ZT=σS^2 T/k, where σ is the electrical conductivity, S is the Seebeck coefficient, k is the thermal conductivity, T is the temperature and σS^2 is the power factor. Traditional thermoelectric (TE) materials are based on inorganic materials, of which the thermal conductivity is high. Over the past decade, the use of nanostructuring technology, e.g. superlattice, could decrease the thermal conductivity in order to enhance the efficiency of TE materials. However, the high cost and the rigidity of inorganic TE materials are limiting factors. As alternatives, polymer based materials have become the research focus due to their intrinsic low thermal conductivity, high flexibility and high electrical conductivity. Moreover, polymer based materials could be fabricated in solution form, giving the possibility for employing printing techniques hence a decrease in the production cost. Unlike the typical approach, in which secondary dopants are added into PEDOT:PSS solutions to modify the power factor of polymer films, this thesis is focused on a more efficient method to improve TE properties. This thesis demonstrates for the first time that post treatment of PEDOT:PSS films with the secondary dopant DMSO as the medium results in a much larger power factor than the traditional addition method. The post treatment method also avoids the usually required mixing step involved in the addition method. Different solvents were selected to discuss the impact factors in the modification of the power factor by this post treatment approach. The post treatment of PEDOT:PSS films was then extended to utilize a green solvent EMIMBF_4 (an ionic liquid) as the medium. EMIMBF_4 is found to exchange ions with PEDOT:PSS films. As a result, the EMIM^+ cations remain in the films and reduce the oxidation level of PEDOT chains, which affects the Seebeck coefficient and the electrical conductivity. Furthermore, TE materials based on hybrid composites with polymer as the matrix and Te nanostructures as the nanoinclusions were investigated. This thesis successfully developed a green synthesis method to obtain Te nanostructures, in which a non toxic reductant and a non toxic Te sources were used. Well controlled Te nanostructures including nanorods, nanowires and nanotubes were synthesized by wet chemical and hydrothermal synthesis. Those as synthesized Te nanowires were then integrated into PEDOT:PSS solution for composite films fabrication. A high Seebeck coefficient up to 200 μV/K was observed in the composite film. / Mit den Weiterentwicklungen der Drahtlosen Sensornetzwerke (engl. WSN, wireless sensor networks) stellen immer mehr Anwendungen die Forderung einer langen Lebensdauer der Sensorknoten. Energiegewinnungssysteme (engl. Energy Harvesters) wie z.B. thermoelektrische Generatoren (TEGs) können genutzt werden, um die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der WSN zu steigern. Mit der Integration von Energy Harvesters können WSN ohne äußere Stromversorgung realisiert und somit die Möglichkeit zur Wartungsfreiheit geschaffen werden. TEGs liefern Energie durch die Umwandlung einer Temperaturdifferenz in Elektrizität. Die Effektivität der TEG ist direkt verbunden mit der Material-Kennzahl ZT und ist gegeben durch ZT=σS^2 T/k, wobei σ die elektrische Leitfähigkeit ist, S der Seebeck Koeffizient, k die thermische Leifähigkeit, T die Temperatur und σS^2 der Leistungsfaktor. Herkömmliche thermoelektrische (TE) Materialien basieren auf anorganischen Materialien, von denen die thermische Leitfähigkeit hoch ist. Im Laufe des letzten Jahrzehnts konnte durch den Einsatz der Nanostrukturierung die thermische Leitfähigkeit verringern werden um damit die Effizienz von TE-Materialien zu steigern. Die Steifigkeit dieser Materialien ist ein anderer Aspekt. Als Alternative für anorganische TE Materialien sind Polymer basierte TE Materialien zum Fokus der Forschung geworden aufgrund einer intrinsisch niedrigen thermischen Leitfähigkeit, hohen Flexibilität und hohen elektrischen Leitfähigkeit. Des Weiteren können diese Polymere in gelöster Form verarbeitet werden, was die Möglichkeit für den Einsatz von Drucktechnologien und damit geringeren Produktionskosten gibt. Anders als der herkömmliche Ansatz den Leistungsfaktor der Polymerfilme durch die Ergänzung von sekundären Dotanten in PEDOT:PSS Lösungen zu verändern, wurde in dieser Arbeit eine effizientere Methode zur Verbesserung der TE Eigenschaften gesucht. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal gezeigt, dass die Nachbehandlung von PEDOT:PSS Schichten mit sekundären Dotanten Dimethylsulfoxid (DMSO) als Medium der Nachbehandlung zu einem viel höheren Leistungsfaktor führt als bei der Zugabemethode und außerdem die sonst erforderliche Mischprocedur vermeidet. Es wurden verschiedene Lösungsmittel ausgewählt um die Einflussfaktoren bei der Modifikation des Leistungsfaktors durch die Nachbehandlung von Polymerschichten zu diskutieren. Die Nachbehandlung von PEDOT:PSS Schichten wurde nachfolgend erweitert um das umweltfreundliche Lösungsmittel EMIMBF4 (eine ionische Flüssigkeit) als das Medium einzusetzen. EMIMBF4 ist bekannt für den Austausch von Ionen mit PEDOT:PSS Schichten, so dass EMIM Kationen in der Schicht verbleiben, die Oxidationsstufe der PEDOT-Ketten senken und damit den Seebeck-Koeffizient und die elektrische Leitfähigkeit beeinflussen. Des Weiteren konzentriert sich diese Arbeit auf TE Materialien basierend auf Kompositen aus Polymeren mit Nanoeinlagerungen. Erfolgreiche Syntheseansätze wurden für Tellur-Nanostrukturen entwickelt, bei denen keine giftigen Reduktionsmittel und keine giftigen Tellur-Quellen zur Verwendung kamen. Es erfolgte die Erzeugung von kontrollierten Tellur-Nanostrukturen, einschließlich Nanostäben, Nanodrähten und Nanoröhren, mit nass-chemischer und hydrothermaler Synthese. Die so hergestellten Nanodrähte wurden dann in PEDOT:PSS Lösungen integriert für die Herstellung von Komposite-Schichten. Dabei konnte ein hoher Seebeck-Koeffizienten, bis zu 200 μV/K, festgestellt werden.

In den letzten 20 Jahren näherte sich der einst nur für die Luft- und Raumfahrt entwickelte kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) mehr und mehr der industriellen Umsetzung in anderen Bereichen an. Die CFK-Halbzeuge und -Bauteile sind nun auch preislich in der Lage, unter Anwendung angepasster Fertigungsverfahren breiter eingesetzt zu werden. Der Fokus dieser Arbeit richtet sich exemplarisch auf die kosten- und energieeffiziente Herstellung von schnell laufenden CFK-Verbundwalzen und soll aufzeigen, dass Kostenersparnisse über Leane Fertigungsmethoden auch in der FKV-Industrie von großem Vorteil sind. Somit liefert diese Dissertationsschrift einen beispielgebenden Beitrag für den Durchbruch von Faserverbund-werkstoffen im industriellen Bereich. Darüber hinaus werden durch Prozessoptimierung Alternativen aufgezeigt, qualitativ hochwertigere und gleichsam kosteneffiziente Bauteile herzustellen.

In Kenntnis der beschriebenen verfahrenstechnischen Einflussfaktoren auf die Struktur und die Eigenschaften der faserverstärkten MMC geht es darum, ein prepregtechnologisches Verfahren für das Herstellen lang- bzw. endlosfaserverstärkter MMC mit Aluminiummatrix zu erarbeiten und die Machbarkeit im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit und das Erreichen der prinzipiell möglichen mechanischen Eigenschaftskennwerte nachzuweisen. Es geht darum, den Einfluss der Prozessparameter auf die Struktur der Prepregs und der verdichteten MMC`s zu erfassen und zu bewerten. In Kenntnis dieser Zusammenhänge sind die qualitätsrelevanten Kennwerte der Werkstoffstruktur denen der mechanischen Eigenschaften gegenüberzustellen. In Weiterführung der o.g. Darstellungen zwischen Struktur- und Eigenschaften der Verbundwerkstoffe geht es darum, die experimentell bestimmten Kennwerte der Festigkeit und des E-Moduls auf Übereinstimmung mit den entsprechenden Korrelationsmodellen (Shear Lag Modell, Grenzwert- und Modellkonzept, EIAS-Methode) zu überprüfen. Ferner geht es darum, die Zusammenhänge zwischen den im Modell definierten idealen Gefügebedingungen mit den realen im Hinblick auf deren Einfluss auf die Eigenschaftskennwerte kritisch zu diskutieren. Aufbauend auf den definierten Zielstellungen kann nach der erfolgten Bewertung aller Untersuchungsergebnisse gezeigt werden, dass die entworfene Technologie zur Herstellung langfaserverstärkter Metallmatrix-Verbundwerkstoffe dazu geeignet ist, Fasern mit geringem Durchmesser und hoher Flexibilität (am Beispiel der hochfesten Kohlenstofffasern vom Typ HTA 5131) mit dem ausgewählten Matrixmetall (am Beispiel der AlSi5-Legierung) zunächst zu Prepregs und weiterhin in verdichtete Verbundstrukturen zusammenzuführen. Das vergleichende Gegenüberstellen von Simulation und Experiment dienen einerseits dem Verifizieren der Prozessmodelle. Die Prozessmodelle stellen andererseits die wertvolle versuchstechnische Grundlage zur Definition und auch der Einengung des Arbeitsfensters für die Prozessparameter und der Anzahl erforderlicher Verifikationsexperimente im Hinblick auf die Probebeschichtungen und deren Auswertung dar. Derartige Modelle leisten eine wichtige Hilfestellung zum weiteren Erhöhen der Prozessstabilität und damit auch dem Nachweis der Reproduzierbarkeit. / The aim of this work is a described prepreg-technological method to create aluminium based MMC reinforced with continuous fibres and the verification of reproducibility to achieve relevant mechanical properties. This aim is based on the knowledge of technological influences on structure and properties of fibre reinforced MMC. And so activities are focussed on the evaluation of the influence of process functions on structure and mechanical properties of prepregs and compacted MMC. The comparison between structure and properties is necessary to describe the correlation function of composite material. Furthermore the application of different correlation models (“Shear Lag”, “Grenzwert- Modellkonzept“, “EIAS”) to describe the influence of composite structures on strength and Young`s modulus is necessary to compare theoretical results with those of relevant experiments. The object is a critical quantification of the influence of real structure parameters compared with those of a model defined structure. In view of the described aim it is shown that the described technology to manufacture long fibre reinforced MMC is applicable for preparation of carbon fibres (HTA 5131) with low diameter and high flexibility and metal matrix (AlSi5) to prepregs and compact composites. The comparison of simulated and experimental results is the base for verification of different process models. So it is possible to describe and optimize the process function and moreover to minimize the number of technological experiments. After optimization specified models are a good base to achieve a high level of stability and reproducibility for all steps in prepreg technology.