For the development of intelligent vehicle tires, especially for future self-driving cars, suitable strain sensors are mandatory. The design of such a strain sensor must fulfill several criteria and most important of them all, it must be easily mounted or implanted into the tire and the elastic nature of the sensors must synchronize with the deformation of the tire. This work is therefore focused on understanding the piezoresistive characteristics of a composite developed from tire rubber. Thus, a commercially available grade of solution styrene butadiene rubber (SSBR) was primarily chosen as the matrix rubber along with butadiene rubber (BR) and natural rubber (NR).
The initial focus was given to develop simple strain sensors by exploiting the concept of piezoresistivity with conductive rubber composites based on SSBR filled with carbon black and carbon nanotubes. As the internal structure of the filler particles was found to rearrange or alter during deformation, it was important to study the piezoresistive performance with respect to critical material parameters such as crosslink density, hardness, and stiffness of the composite in details. The developed sensors were able to be stretched to several hundred percents of their original length and strain sensitivity as much as ~1000 (gauge factor) was achieved.
Quasi-static cyclic tests indicated the ability of the developed materials to respond and recover within the given time frame. This motivated to assess the suitability of these materials for dynamic sensing. As a consequence, the dynamic piezoresistive characteristics were studied for the conducting SSBR composites. The temporal changes in electrical resistance of the SSBR composites were monitored real-time during dynamic mechanical studies. The influence of critical parameters such as filler content, test frequency, test temperature, and matrix crosslink density was taken into consideration.
The filler network was found to rearrange in the rubber matrix during dynamic loading, witnessed from the changes in electrical resistance over time. The findings offered a preliminary understanding of the filler network behavior inside the SSBR matrix. Situations that eased the filler mobility such as high temperature, low frequency, and low crosslink density resulted in the minimal effect on the filler network changes. For a given strain cycle, the samples responded with two distinct responses pertaining to the loading and unloading, reflecting as two signals. Filler network reconfiguration during unloading was found to be the reason for the second piezoresistive response. The behavior of the second peaks was analyzed in detail at different conditions.
The stress relaxation, an inevitable process pertaining to viscoelastic materials, resembled the overall piezoresistance change of the material. The two properties were therefore correlated, and a relationship was deduced, offering the possibility to monitor the mechanical performance using electrical resistance data. Apart from evaluating the phase shifts between stress and strain (δσ-ε) during the dynamic tests, phase shifts were also evaluated between resistance and strain (δR-ε) as well as between stress and resistance (δσ-R). The piezoresistive phase shift values (δσ-R) were found to be larger than the mechanical phase shifts values (δσ-R > δσ-ε) It perceived information regarding the time taken by the filler network to respond for the applied strain.
To realize the concept of dynamic piezoresistivity in commercial use, (i) SSBR filled with conventional carbon blacks N220, N330, and N660 and (ii) NR and BR (two more rubbers that are widely used in tire industry) filled with Printex carbon black were tested for their piezoresistive behavior under dynamic conditions. The experimental results were promising and guaranteed the applicability of the concept for all rubber - filler combinations that display piezoresistive characteristics.
This basic scientific study would be the stepping stone to understand dynamic piezoresistivity in rubbers, which would help in developing rubber-based sensors that are capable of performing under dynamic conditions for the future. Moreover, the study offered a much deeper insight not only on the dynamic piezoresistivity but also on the behavior and changes in the filler network during dynamic deformation. / Für die Entwicklung von intelligenten Fahrzeugreifen, insbesondere für zukünftige selbstfahrende Autos, sind geeignete Dehnungssensoren notwendig. Die Konstruktion eines solches Sensors muss mehrere Kriterien erfüllen: am wichtigsten ist, dass er einfach in den Reifen eingebaut oder implantiert werden kann und dass die Verformung des Sensors mit der Verformung des Reifens synchronisiert ist. Daher konzentriert diese Arbeit sich auf das Verständnis der piezoresistive Eigenschaften eines bekannten Reifenkautschuks, gefüllt mit leitfähigen Füllstoffpartikeln. Eine kommerziell erhältliche Sorte von Lösungs-Styrol-Butadien-Kautschuk (SSBR), Butadien-Kautschuk (BR) und Naturkautschuk (NR), welche in der modernen Reifenindustrie weit verbreitet sind, wurden deshalb als Matrix-Kautschuk gewählt.
Der Fokus lag zunächst auf der Entwicklung einfacher Dehnungssensoren unter Ausnutzung des Konzepts der Piezoresistivität mit leitfähigen Gummimischungen auf Basis von SSBR, welche mit leitfähigem Ruß und Kohlenstoff-Nanoröhrchen gefüllt sind. Da sich die innere Struktur der Füllstoffpartikel während der Verformung verändert, war es wichtig, das piezoresistive Verhalten in Bezug auf kritische Materialparameter wie Vernetzungsdichte, Härte und Steifigkeit des Komposits im Detail zu untersuchen. Die Sensoren konnten auf mehrere hundert Prozent ihrer ursprünglichen Länge gestreckt werden, wobei eine Empfindlichkeit bis zu ~1000 (Gauge Faktor) erreicht wurden.
Quasistatische zyklische Tests zeigten die Fähigkeit der entwickelten Materialien, innerhalb des vorgegebenen Zeitrahmens zu reagieren und sich zu erholen. Dies motivierte dazu, die Eignung dieser Materialien für die dynamische Sensorik zu beurteilen. In der Folge wurden die dynamischen piezoresistiven Eigenschaften für die elektrisch leitfähigen SSBR-Verbundwerkstoffe untersucht. Die zeitlichen Veränderungen des elektrischen Widerstandes dieser SSBR-Verbundwerkstoffe wurden während dynamisch-mechanischer Studien in Echtzeit überwacht. Der Einfluss kritischer Parameter wie Füllstoffgehalt, Matrixvernetzungsdichte, Messfrequenz, und Messtemperatur wurde dabei berücksichtigt.
Es wurde festgestellt, dass sich das Füllstoffnetzwerk während der dynamischen Belastung in der Elastomermatrix neu anordnet, wie die Veränderungen des elektrischen Widerstands im zeitlichen Verlauf zeigen. Diese Ergebnisse bieten ein vorläufiges Verständnis des Verhaltens des Füllstoffnetzwerks der SSBR-Matrix. Situationen, die die Füllstoffmobilität begünstigen, wie hohe Temperatur, niedrige Frequenz und niedrige Vernetzungsdichte, führten zu minimalen Auswirkungen auf das Füllstoffnetzwerk. Für einen gegebenen Dehnungszyklus reagierten die Proben mit zwei getrennten Signalen, welche dem Be- und Entlasten des Materials entsprechen und sich als zwei Peaks in der Widerstandsmessung widerspiegeln. Der Grund für das zweite piezoresistive Signal ist die Rekonfiguration des Füllstoffnetzwerks während der Entlastung. Das Verhalten dieser zweiten Peaks wurde unter verschiedenen Bedingungen detailliert analysiert.
Die Spannungsrelaxation, ein unvermeidlicher Prozess bei viskoelastischen Materialien, ähnelte der gesamten Piezowiderstandsänderung des Materials. Diese beiden Eigenschaften wurden daher korreliert und ein Zusammenhang abgeleitet, der die Möglichkeit bietet, die mechanische Leistung anhand von elektrischen Widerstandsdaten zu überwachen. Neben der Auswertung der Phasenverschiebungen zwischen Spannung und Dehnung (δσ-ε) bei dynamischen Tests wurden auch die Phasenverschiebungen zwischen Widerstand und Dehnung (δR-ε) sowie zwischen Spannung und Widerstand (δσ-R) bewertet. Die piezoresistiven Phasenverschiebungswerte (δσ-R) erwiesen sich als größer als die mechanischen Phasenverschiebungswerte (δσ-R > δσ-ε). Dies bietet Informationen über die Zeit, die das Füllernetzwerk benötigt, um auf eine angelegte Belastung zu reagieren.
Um das Konzept der dynamischen Piezoresistivität im kommerziellen Einsatz zu realisieren, wurden (i) SSBR gefüllt mit konventionellen Rußen N220, N330 und N660 und (ii) NR und BR (zwei weitere Kautschuke, die in der Reifenindustrie weit verbreitet sind) gefüllt mit leitfähigem Ruß auf ihr piezoresistives Verhalten unter dynamischen Bedingungen getestet. Die experimentellen Ergebnisse sind vielversprechend und garantieren die Anwendbarkeit des Konzepts für alle Gummi-Füllstoff-Kombinationen mit piezoresistiven Eigenschaften.
Diese grundlegende wissenschaftliche Studie ist ein wichtiger Schritt, um die dynamische Piezoresistivität in Kautschuken zu verstehen, was bei der Entwicklung von zukünftigen, dynamisch arbeitenden Sensoren auf Kautschukbasis helfen kann. Darüber hinaus liefert diese Studie einen viel tieferen Einblick nicht nur in die dynamische Piezoresistivität, sondern auch in das Verhalten und die Veränderungen im Füllstoffnetzwerk während der dynamischen Verformung.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:33708 |
| Date | 03 April 2019 |
| Creators | Subramani Bhagavatheswaran, Eshwaran |
| Contributors | Heinrich, Gert, Vuorinen, Jyrki, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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