Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME Gépészmérnöki Kar, Polimertechnika Tanszék

Témavezető: Dr. Czigány Tibor

A szénszál állapotjelző szerepe kompozit szerkezetekben

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A kompozit szerkezeti anyagokat, különösen a szénszál erősítésű polimer mátrixú kompozitokat egyre szélesebb körben alkalmazzák, elsősorban a kis sűrűség mellett elérhető jó szilárdságnak, a jó vegyszerállóságnak, illetve az adott terhelésekhez igazítható szilárdsági tulajdonságoknak köszönhetően. Számos olyan iparágban, amely alkalmazza a kompozitokat (pl. járműipar, energetika), a fejlesztés fő iránya a tömegcsökkentés. Egy szerkezet tömegét a kisebb fajsúlyú anyagok alkalmazásán túl funkciók összevonásával, többfunkciós alkatrészek létrehozásával lehet elérni. Értekezésemben célul tűztem ki egy olyan, multifunkcionális anyag fejlesztését, amely az erősítőszálként alkalmazott szénszál elektromos tulajdonságát használja fel állapotfelügyeletre.

 

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatásomat a Polimertechnika Tanszéken végzem, amelynek laboratóriuma akkreditált, továbbá ISO 9001 minőségbiztosítási és az ISO 14001 környezetirányítási rendszer szerint auditált. Témám több pályázathoz (OTKA K 120592, NVKP_16-1-2016-0046), valamint az MTA–BME Kompozittechnológiai Kutatócsoport munkájához kapcsolódik. A Tanszék adja ki Magyarország egyik legnagyobb impakt faktorú ingyenes online (Open Access) folyóiratát, az Express Polymer Letters-t.

 

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A szénszál erősítésű polimer kompozitok multifunkcionális felhasználása, azon belül is az erősítő szál elektromos tulajdonságaira épülő másodlagos funkciók kiaknázása széleskörűen kutatott téma, a szakirodalomban számtalan alkalmazási példa található. A szénszál másodlagos feladata lehet például az ellenállásfűtés, amellyel lokálisan fűthető a kompozit termék, így megvalósítható a térhálósítás, a hegesztés, a jégmentesítés (1. ábra) vagy az öngyógyítás [1, 2].

 

1. ábra: Többfunkciós repülőgépszárny szénszál-erősítésű polimer kompozitból. A szénszál az erősítő funkción kívül jegesedésmentesítésre is használható

 

Megfelelő elrendezésben a szénszálas kompozit alkalmas elektromos árnyékolásra [3], energiatárolásra [4], aktuációra [5], illetve szenzorként használva állapotfelügyeletre [6]. A saját környezetüket érzékelő szerkezeti anyagok jelentik az első lépést az intelligens anyagok felé, amelyek iránt folyamatosan növekszik az igény az Ipar 4.0 és az autonóm járművek világában. A szénszálak multifunkcionális felhasználásáról, a lehetséges másodlagos funkciókról áttekintő cikket írtam, ahol az alkalmazási példákat az ahhoz szükséges alapanyagok és segédanyagok szerintem rendszereztem, illetve egy új jelölési rendszert vezettem be [FN1].

 

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A szénszál-erősítésű alkatrészek (például repülőgépszárny, szélturbinalapát) jellemzően biztonságkritikusak, azaz tönkremenetelük katasztrofális következményekkel járhat. Ezt felismerve kutatásom fő célja a kompozitban erősítőszálként használt szénszálat ellátni olyan másodlagos funkcióval, amely segítségével folyamatosan nyomon követhető a szerkezet integritása, esetleges tönkremenetele. Az irodalomkutatásom alapján szűkítettem célkitűzésemet: a szénszál elektromos tulajdonságait felhasználó állapotfelügyeleti eljárást vizsgáltam és fejlesztettem. Célom eléréséhez az alábbi részfeladatokat határoztam meg:

•       mérési módszer és elrendezés kifejlesztése a kompozit erősítőanyagaként alkalmazott szénszálak elektromos ellenállásának vizsgálatához,

•       amelyhez vizsgálom a szénszálköteg áramkörbe kapcsolási lehetőségeit, az áram útját a szálkötegben és a kompozit próbatestben,

•       valamint elemzem az erősítésként alkalmazott szálkötegek (geometriai, mechanikai) tulajdonságainak és a mérés körülményeinek (hőmérséklet, páratartalom, áramerősség) hatását a mérés pontosságára és reprodukálhatóságára szenzorként való használat esetén,

•       majd különböző mechanikai vizsgálatokkal (szakítás, hajlítás, fárasztás, ütés) feltárom az összefüggéseket a szénszálköteg elektromosellenállás-változása és a kompozit deformációja, illetve tönkremenetele között.

Az eredmények alapján valós kompozit szerkezeten mutatom be a szénszálköteg ellenállásmérésével megvalósított folyamatos állapotfelügyeletet, amely segítségével akár előrejelezhető a kifáradásból vagy túlterhelésből adódó törés, vagy azonnal kimutatható a hirtelen tönkremenetel.

 

 

 

 

Módszerek

Kísérleteimhez többféle próbatestet és mérési elrendezést használtam. Kutatásom elején külön vizsgáltam az elemi szénszál elektromos tulajdonságát, majd a kereskedelmi forgalomban kapható kiszerelésben, roving formájában elemeztem az elektromos áram útját. A szálkötegen belül az egyes szálak nem végtelen hosszúságúak, hanem töredezettek, ami befolyásolja a szálköteg ellenállását, inhomogén áramsűrűséghez vezethet.

Későbbi kísérleteimhez kompozit próbatesteket készítettem. A mechanikai vizsgálatokhoz szabványos próbatestméret szükséges, amit úgy értem el, hogy az elektromosan szigetelő üvegszál-erősítésből készítettem kompozit lemezt, amelybe gyártás közben, előre meghatározott helyre szénszálköteget helyeztem el. A szénszálköteg végeit szabadon hagytam, amelyekre az általam fejlesztett elektromos csatlakozókat rögzítettem, ezáltal áramkörbe tudtam csatlakoztatni.

Az elektromos ellenállást a kompozit próbatesteken négyvezetékes elrendezéssel mértem, amelynél külön vezetékpáron vezettem be az áramot, és külön vezetékpáron mértem két pont között a feszültségesést. A két értékből pontosan meghatározható az adott szénszálköteg ellenállása, mivel a mérőberendezés és a vezetékek ellenállásai nem jelentek meg állandó hibaként.

A szénszálköteg deformációja és ellenállása közötti összefüggés meghatározásához szakítóvizsgálatot végeztem. A kvázistatikus szakítás közben folyamatosan mértem a szénszál ellenállás-változását, amelyből a kezdeti értékre fajlagosított ellenállás-változást számoltam, majd ezt hasonlítottam össze a nyúlásmérésből számított fajlagos deformációval.

Kezdeti méréseim és irodalomkutatásom során megállapítottam, hogy a szénszál ellenállását nemcsak a mechanikai terhelés, hanem a környezete is befolyásolja. A környezeti hőmérséklet és páratartalom hatását klímakamrában külön-külön vizsgáltam. A vizsgálati tartományt úgy határoztam meg, hogy a kompozit alkatrészek jellemző felhasználási tartományain túl nyúljanak.

A kvázistatikus méréseken túl dinamikusan is terheltem a próbatesteket. Hárompontos hajlítási elrendezésben ciklikus igénybevétellel kifáradásig terheltem a mintákat (2. ábra).

 

 

2. ábra: Mérési elrendezés hárompontos ciklikus fárasztó jellegű vizsgálathoz

 

Az elektromos árammal átjárt vezetőben az ellenállás miatt veszteség keletkezik, ezt Joule-hőnek nevezik. A multifunkcionális szálköteg nem befolyásolhatja a szerkezet mechanikai teherviselő képességét, ezért vizsgáltam, hogy a mérőáram milyen hatással van a kompozit próbatestre. Hőkamerával mértem a szálkötegen a különböző áramerősségek hatására fejlődő hő miatti hőmérsékletváltozást a szálköteg környezetében. Ezen kívül ütve hajlító méréssel vizsgáltam a különböző áramerősséggel átjárt próbatest mechanikai tulajdonságainak változását.

 

Eddigi eredmények

Kísérleteimet előkísérletekkel kezdtem, amelyek során meghatároztam a szénszálköteg hossz- és keresztirányú fajlagos ellenállását, illetve a mátrixanyag, mint elektromos szigetelő vezetőképességre gyakorolt hatását. Kutatásaimat az Atomfizika Tanszékkel együttműködve végeztem (Dr. Sarkadi Tamás és Boros Csanád Örs); az előzetes eredmények alapján végeselemes modellt (VEM) készítettünk, amellyel vizsgáltuk az árambevezetés környezetét és az áram útját a szálkötegekben (3. ábra).

 

a

  

                                                                                                                          

         b                                 c                                            d

3. ábra: A négyvezetékes ellenállásmérés sematikus ábrája (a), az árambevezetés környezetében az áramsűrűség-vektorok ábrázolása VEM-szoftverben (b), az áramsűrűség hossz menti eloszlása a VEM-szimuláció alapján (c), illetve a feszültségméréshez használt rézbakok „áramelszívó” hatása áramvonalakkal ábrázolva VEM-szoftverben (d).

 

A szimuláció alapján fejlesztettem a szálkötegek elektromos áramkörbe való csatolásának módját a homogénebb áramsűrűség és a pontosabb ellenállásmérés érdekében. Az eredmények alapján cikket készítettem elő benyújtásra, amelyet az IEEE Sensors Journal (IF2019=3,073) folyóirathoz fogok benyújtani.

Ezután igazoltam az elektromos ellenállásmérésen alapuló nyúlásmérési módszer működőképességét. Egy próbatest az őt érő erő hatására deformálódik, ezzel együtt a szénszálköteg is nyúlik. A szénszál piezorezisztív tulajdonságú, azaz a deformáció hatására ellenállása jobban változik, mint az a geometriai változásból adódna. A deformáció – ellenállás-változás diagram alapján a szénszál mint szenzor kalibrálható, és a nyúlásmérő bélyegek analógiájára a bélyegállandó meghatározható [FN2-4].

A szénszálköteg ellenállását a deformáción kívül számos hatás is befolyásolja. A környezeti tényezők (hőmérséklet, páratartalom) változhatnak egy mérés során, és e változás miatt a szénszálak nyúlásmérő szenzorként való alkalmazásában mérési hiba jelenhet meg. Vizsgáltam a környezeti hőmérséklet (4. ábra) és a páratartalom hatását is a szénszál ellenállására.

4. ábra: Hőmérséklet hatása az erősítésként és szenzorként használt szénszálköteg ellenállására. A szénszálköteg hőmérsékleti együtthatója negatív [FN5]

 

Eredményeim szerint a növekvő hőmérséklet, illetve páratartalom hatására a szénszál ellenállása csökken, és a hőmérséklet hatása egy nagyságrenddel nagyobb, mint a páratartalomé. Az eredmények alapján a szénszálköteg egyfelől alkalmas lehet hőmérséklet megváltozásának jelzésére, például már gyártás közben lehet vizsgálni a gyanta térhálósodását, illetve a termikus kifáradást a szénszálak ellenállásmérésével. Másfelől viszont nyúlásmérő szenzoros alkalmazásnál kompenzálni kell a hőmérséklet hatását [FN5].

Kutattam, hogy milyen hatással van a méréshez használt áram a kompozit próbatest dinamikus mechanikai tulajdonságára. Hárompontos ütve hajlító vizsgálatokat végeztem különböző áramerősségekkel átjárt próbatesten. Az áramot az ütés előtt kapcsoltam a próbatestre, majd az ütés után rögtön lekapcsoltam. Az ütés előtt az áramkörbe kapcsolás idejét is változtattam. Az eredményekből megállapítottam, hogy nagy erősségű áram alá helyezett próbatestek dinamikus mechanikai tulajdonságai romlanak. A mérési eredményekkel jelentkeztem a 2020-ban, Portóban megrendezésre kerülő SEIA2020 konferenciára [FN6].

 

Várható impakt, további kutatás

A téma aktualitását jól mutatja, hogy multifunkcionális alkalmazási példákat áttekintő és rendszerező cikkem megjelent a magas impakt faktorú Composites PartB: Engingeering folyóiratban (IF=7,635, D1), és amelyre a megjelenés óta számos független hivatkozás van a mai napig (Web of Science (WoS): 32, Elsevier Scopus: 43, Google Scholar: 46). A WoS szerint ez a publikáció az anyagtudomány területén a hivatkozások száma alapján a legjobb 1%-ba tartozik.

Doktori képzésemben az utolsó félévet kezdem, rövidtávú kutatási tervemben a tézisek teljes körű alátámasztása szerepel. Kísérleteim alapján számtalan továbbfejlesztési lehetőséget határoztam meg. Ezek közül kiemelném az alkalmazhatóság vizsgálatát: jelfeldolgozó elektronika tervezésével megvalósítható egy olyan intelligens kompozit termék, például repülőgépszárny vagy szélturbinalapát, amely képes folyamatosan felügyelni saját szerkezeti épségét, tönkremenetel esetén vészjelzést tud küldeni az üzemeltetőnek, ennek köszönhetően pedig megelőzhető egy katasztrofális baleset.

 

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája.

 

[FN1] Forintos N., Czigany T.: Multifunctional application of carbon fiber reinforced polymer composites: electrical properties of the reinforcing carbon fibers – a short review. Composites Part B - Engineering, 162, 331–343 (2019). 10.1016/j.compositesb.2018.10.098 IF=7,635 D1

[FN2] Forintos N., Czigány T.: Kompozitba épített elektromosan vezető érzékelő. Polimerek, 2, 196-199 (2016).

[FN3] Forintos N., Czigány T.: Üvegszál erősítésű kompozitok deformációjának mérése szénszálak segítségével. in 'OGÉT 2017: XXV. Nemzetközi Gépészeti Konferencia Kolozsvár, Románia. 2017.04.27-2017.04.30.,147-150 (2017)

[FN4] Czigány T., Forintos N., Hegedűs G.: Health monitoring of high-performance polymer composites with multifunctional fibers. in 'ICCM21 Xi'an, Kína. 2017.08.20-2017.08.25., 3153/1–3153/8. oldal (2017)

[FN5] Forintos N., Czigány T.: Reinforcing carbon fibers as sensors: the effect of temperature and humidity. Composites Part A – Applied Science and Manufacturing, 131, cikkazonosító: 105819 (2020). 10.1016/j.compositesa.2020.105819 IF(2019)=6,444 D1

[FN6] Forintos N., Czigány T.: Multifunctional carbon fiber reinforced polymer composite structures: reinforcing and sensing. Sixth International Conference on Sensors and Electronic Instrumentation Advances (SEIA' 2020), Porto, Portugália, 2020.09.23–25. (2020).

 

Hivatkozások listája.

 

[1] Reese J., Vorhof M., Hoffmann G., Böhme K., Cherif C.: Joule heating of dry textiles made of recycled carbon fibers and PA6 for the series production of thermoplastic composites. Journal of Engineered Fibers and Fabrics, 15 (2020) doi:10.1177/1558925020905828.

[2] Pan L., Liu Z., Kiziltas O., Zhong L., Pang X., Wang F., Zhu Y., Ma W., Lv. Y.: Carbon fiber/poly ether ether ketone composites modified with graphene for electro-thermal deicing applications. Composites Science and Technology, 192, article ID 108117 (2020).

[3] Aripin A.B., Yamamoto T., Nishi M., Hayakawa K.: Electromagnetic shielding property of laminated carbon fiber tape reinforced thermoplastics. Polymer-Plastics Technology and Materials, 59, 1308–1316. oldal (2020).

[4] Moyer K., Meng C., Mashall B., Assal O., Eaves J., Perez D., Karkkainen R., Roberson L., Pint C.L.: Carbon fiber reinforced structural lithium-ion battery composite: Multifunctional power integration for CubeSats. Energy Storage Materials, 24, 676–681. oldal (2020).

[5] Vermes B, Czigany T.: Non-conventional deformations: Materials and actuation. Materials, 13, cikkazonosító: 1383 (2020) doi:10.3390/ma13061383.

[6] Luan C., Yao X., Shen H., Fu J.: Self-sensing of position-related loads in continuous carbon fibers-embedded 3D-printed polymer structures using electrical resistance measurement. Sensors;18, cikkazonosító: 994 (2020). doi:10.3390/s18040994.