In allen technischen Bereichen wird die Bedeutung des Leichtbauwerkstoffs Carbon in den nächsten Jahren deutlich zunehmen. Während der Werkstoff in der Luft- und Raumfahrtindustrie bereits seit 30 Jahren im Einsatz ist, erlebt er nun im Rahmen der Elektromobilität auch einen enormen Aufschwung im Fahrzeugbau.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Carbon-Sensorfasern im Fahrzeugbau“ (CAFAS) wurde untersucht, wie die elektrischen Eigenschaften von Carbonfasern für Leichtbaustrukturen aus Faserverbundwerkstoffen genutzt werden können. Carbonfaser-Sensoren bestehen aus einem Carbonfaserstrang, der an den Enden elektrisch kontaktiert wird und der nach dem Aufbringen einer Isolationsschicht in Faserverbundstrukturen integriert werden kann. Auf Grund ihrer piezoresistiven Eigenschaften ändern Carbon-Sensorfasern ihren Widerstand linear mit der Dehnung, sodass sie analog zu den bekannten Dehungsmessstreifen (DMS) zur Verformungsmessung von mechanischen Strukturen sowie zur Schadensdetektion geeignet sind. Es wurden unterschiedliche Carbonfasertypen (ex-PAN und Pechfasern) für Dehnungen bis über 7000 µm/m und im Temperaturbereich bis +100 °C charakterisiert. Die elektrische Kontaktierung erfolgt in einem galvanischen Prozess, bei dem die einzelnen Carbonfilamente mit Nickel beschichtet werden.
rechts: Integration von Carbonfasersensoren in die Patientenliege eines Computertomographen zur Messung der Verformung (A. Horoschenkoff et al. „ Use of carbon-fibre-sensors to measure the deflection of composite beams“, ICCM 2011, Jeju)
Bei der Integration in Strukturen aus Faserverbundwerkstoffen stellen sie im Gegensatz zu den metallischen DMS keinen Fremdkörper das, was der Lebensdauer sowohl des Sensors als auch der Struktur zugutekommt. Wegen ihres nichtmetallischen Charakters können Carbon-Fasersensoren zudem auch dort eingesetzt werden, wo metallische Leiter stören würden, z. B. in der Röntgentechnik.
In umfangreichen theoretischen und experimentellen Untersuchungen wurden die sensorischen Eigenschaften der Sensorfasern ermittelt und ihre Fähigkeiten zur Schadensdetektion und Verformungsmessung nachgewiesen. In Anwendungen aus dem Bereich der Drucktank- und Röntgentechnik zeigen sie, dass sich Carbon-Sensorfasern im praktischen Einsatz bestens bewähren.
