Kooperationsprojekt K3

Verbesserung der Haftung von keramischen PZT-Fasern in ausgewählten polymeren Matrices

Leiterin:

Prof. Dr.-Ing. habil. Edith Mäder
Leibnitz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.
Hohe Str. 6
01069 Dresden

Telefon: (0351) 4658-305
Telefax: (0351) 4658-362
E-Mail: emaeder@ipfdd.de

Motivation

Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit ist auf die Bestimmung der mechanischen Kennwerte der PZT-Fasern sowie die Auswahl geeigneter Polymermatrices und Faseroberflächenmodi­fizierungen zur Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung gerichtet. Dabei sind die Anforderungen zur Integration in die Prozessketten Faserkunststoffverbund und Umformen des SFB/TR 39 zu berücksichtigen. Die Untersuchungen zur Entwicklung geeigneter Oberflächenmodifizierungen werden begleitet durch rasterkraft­mikroskopische Untersuchungen der Fasertopographie, der Bruchflächen sowie der lokalen mechanischen Eigenschaften und der Haftungsmechanismen in den Grenzschichten.

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist neben der Bestimmung der mechanischen Kennwerte von PZT-Fasern aus TP A1 die Erhöhung der Festigkeit von Piezofaser-Kompositen durch eine Verbesserung der Faser-Matrix-Haftung. Zu diesem Zweck sind entsprechend den Anforderungen der Prozessketten Umformen (hohe Faser-Matrix-Haftung, geringe Temperaturbelastung) und Faserkunststoffverbunde (hohe Temperaturbelastung von kurzzeitig 250 °C, geringe mechanische Belastungen) sowie den optimalen Verarbeitungseigenschaften (kaltaushärtend, niedrig viskos) geeignete Matrixmaterialien auszuwählen und die Faser-Matrix-Haftung zu bewerten. Dabei gilt es, für die Prozesskette Faserkunststoffverbund in TP A5 eine gute Anbindung der Piezofaser-Komposite (also faktisch der ausgewählten polymeren Matrix) an die thermoplastische Matrix der TPM anzustreben. Gegebenenfalls werden gezielte Oberflächenmodifizierungen der PZT-Fasern, die eine serienfähige Verarbeitung zulassen, in Abstimmung auf die polymeren Matrices eingeführt, um die Faser-Matrix-Haftung zu erhöhen.

Mit einer verbesserten Faser-Matrix-Haftung soll es gelingen, Piezofaser-Komposite für die Prozessketten Umformen und Faserkunststoffverbund herzustellen, die über die Weiterverarbeitungsschritte zur Integration in Strukturkomponenten hinaus ihre sensorische und aktorische Wirkung bewahren. Im Anschluss an TP A1 werden aus Piezofaser-Kompositen in mehreren Schritten Piezosprossenverbunde (PSV, TP A2) hergestellt werden. Die Faser-Matrix-Haftung innerhalb der PSV muss sowohl beim Vereinzeln der Piezofaser-Komposite in Scheiben und Sprossen als auch bei der Integration in die strukturierten Leichtmetallplatten, in die sie im Weiteren eingesetzt werden, erhalten bleiben. Zudem ist eine Gestaltung der Faser-Matrix-Grenzschicht in der Weise angestrebt, dass eine Dehnung der Fasern möglichst wenig behindert wird. Dazu kann die sub-µm Charakterisierung der Grenzschichteigenschaften entwickelt werden.

Der Oberflächenmodifizierung in dem vorliegenden Projektantrag wird die mechanische Charakterisierung von PZT-Fasern (Bruchfestigkeit, Bruchdehnung, E-Modul) vorgeschaltet. Die Ergebnisse können als Referenzgrößen für die mechanische Charakterisierung oberflächenmodifizierter PZT-Fasern genutzt werden.

Für die Oberflächenmodifizierung der PZT-Fasern wird eine Auswahl an geeigneten Schlichten und Beschichtungen getroffen, um sowohl eine gute Kopplung zwischen Faser und Schlichte als auch eine gute Anbindung an die polymere Matrix zu erreichen. Vorgesehen sind zunächst eine Auswahl an geeigneten Silanhaftvermittlern in Kombination mit nanodispergierten wässrigen Polyurethan- sowie Epoxidharzdispersionen.