Intrinsic Self-Sensing in Advanced Composites Enabled by Carbon Nanostructures

QC 20260409

Abstract

Lätta kompositstrukturer har blivit avgörande inom modern flygteknik, där ökade krav på bränsleeffektivitet, minskade utsläpp och förbättrad driftsäkerhet ställer nya krav på både material och tillverkningsprocesser. I takt med att kompositkomponenter blir allt mer avancerade, med samhärdade komponenter, komplexa geometrier och tunnare konstruktionsmarginaler, blir behovet av förbättrad insyn i deras interna beteende allt mer kritiskt. Befintlig sensorteknologi har svårt att ge lokal, in-situ information från kompositens inre under tillverkning samt under dess livslängd, utan att kompromissa med den strukturella integriteten. Detta skapar ett gap mellan förmågan hos nuvarande sensorlösningar och de övervakningskrav som uppkommer i och med nästa generations komplexa kompositstrukturer.

Denna avhandling adresserar detta gap genom att undersöka möjligheten att integrera nanomaterialbaserade sensorstrukturer, främst vertikalt riktade kolnanorörsskogar (VACNT), i fiberförstärkta polymerkompositer. Det övergripande målet är att utforska hur sådana sensorer kan integreras med minimal strukturell påverkan, varifrån deras sensorbeteende har sitt ursprung, och hur de kan erbjuda tillförlitlig och multifunktionell övervakning både under tillverkning och i det härdade tillståndet. Arbetet omfattar utveckling av strategier för integrering och elektrisk kontaktering av sensorn, bottom-up-karakterisering för att undersöka sensormekanismer, samt utforskning av mätmetoder baserade på både likström (DC) och växelström (AC). Övergripande syftar forskningen till att utvidga och öka förståelsen för hur nanomaterialbaserade sensorer interagerar med kompositmaterial och hur de kan stödja utvecklingen av framtida multifunktionella flygstrukturer.

Resultaten visar att VACNT‑skogar kan integreras in i kompositlaminat utan att påverka laminatet negativt mekaniskt, samtidigt som de erbjuder robusta och reproducerbara sensorfunktioner. En bottom-up-analys fastställer att de inbäddade VACNT-skogarnas termoresistiva beteende styrs av fluktuationsassisterad tunnling, och att dess linjära piezoresistiva beteende härrör från den piezoresistiva effekten hos enskilda kolnanorör. VACNT‑skogarna möjliggör lokal in-situ övervakning av härdningsprocessen i prepreglaminat, där betydande processövergångar kan övervakas. Strategier för mätningar i konduktiva kolfibermiljöer etableras, liksom jämförelser med alternativa nanomaterialbaserade sensorer såsom ytbeläggningar av grafen. Slutligen visar övergången från DC-resistans till AC-impedansmätningar att de inbäddade CNT-strukturerna kan detektera höga transversella tryck och uppvisa frekvensberoende sensorkänslighet.

Sammanfattningsvis etablerar dessa resultat VACNT-skogar som ett lovande, multifunktionellt och strukturellt kompatibelt sensorkoncept för avancerade kompositstrukturer, som erbjuder nya möjligheter för inbäddad processövervakning, strukturell hälsomonitorering och utveckling av nästa generations multifunktionella flygkomponenter.

Link to DiVA