DE102017000455A1 - Verfahren und System zur Erkennung von Deformationen oder Deformationsänderungen an beschichteten Bauteilen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zur Erkennung von Deformationen oder Deformationsänderungen an beschichteten Bauteilen über mechanische Dehnungen in der Oberflächenbeschichtung der Struktur- bzw. Substratoberfläche, mit Ausnutzung des piezoresistiven Effekts von Graphen oder von Graphen ähnlichem 2D-Material.Es liegt die Aufgabe zu Grunde, die Mess- und Erfassungsgenauigkeit bei der zerstörungsfreien Zustandsüberwachung von mechanischen Strukturen weiter zu verbessern.Erfindungsgemäß wird eine permanent installierte Oberflächenbeschichtung aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material auf die mechanische Struktur appliziert, und es erfolgt durch eine statische und dynamische Kenngrößenermittlung und/oder eine kontinuierliche Zustandsüberwachung durch Wellenausbreitung eine selbstdiagnostizierende Schadens- oder Zustandsüberwachung von mechanischen Strukturen im Structural Health Montoring.

Description

  • Stand der Technik: Wie war es bisher?, Was war daran schlecht?
  • Die technische Disziplin zur kontinuierlichen und/oder periodischen Schadens- und Zustandsüberwachung von mechanischen Strukturen ist als Structural Health Monitoring (SHM) bekannt. Ein wesentlicher Baustein des SHMs ist die Kenntnis über den Fertigungs- und Betriebszustand mechanischer Strukturen durch Sensoren. Physikalische Wirkprinzipien wie Belastungen und Beanspruchungen an Strukturen bzw. Substraten führen zu mechanischen Dehnungen, die sich in einer Deformation oder Deformationsänderung der Struktur- bzw. Substratoberfläche zeigen und somit Information zum Zustand des mechanischen Bauteils liefern. Im Stand der Technik sind sensorisch aktive Schichten auf Trägersubstraten oder Zwischensubstraten in Form von Dehnungsmessstreifen (DMS), Faseroptischen Sensoren oder Piezosensoren bekannt, um Deformationen und Deformationsänderungen infolge von mechanischen Belastungen und Beanspruchungen auf Bauteiloberflächen zu detektieren. Nachteilig an DMS, Faseroptischen Sensoren oder Piezosensoren sind die geringe Erfassungsgenauigkeit über die gesamte Struktur, da diese nicht breitflächig appliziert werden können. Des Weiteren ist bei bereits stark vordeformierten Strukturen die Auflösung für geringe Deformationen (beispielsweise durch Mikrorisse) nicht gegeben. Die Arten von DMS sind dabei unterschiedlich. Neben metallischen DMS mit geringer Messempfindlichkeit sind ebenfalls sensitivere Halbleiter DMS meist aus Silizium bekannt. Halbleiter sind als Folien-DMS sehr eingeschränkt in ihrer Flexibilität und schwierig zu handhaben und bewirken aufgrund hoher Temperaturkoeffizienten sehr große Temperaturfehler (Halbleiter-DMS). Des Weiteren gibt es sensitive Beschichtungen auf Basis von Silber-Nanopartikel oder Nickel-Kohlenstoff, die auf flexible Zwischensubstrate appliziert werden können und sich ebenfalls für die Detektion von Deformation eignen. Diese Schichten können lediglich über ein Sputterprozess aufgetragen werden. Nachteilig ist ebenfalls das Kriechverhalten bei unterschiedlichen Temperaturen. Beschichtungen auf Basis von Kohlenstoffallotropen in Form von beispielsweise Kohlenstoffnanoröhrchen nutzen den piezoresistiven Effekt, doch können aufgrund der 1-dimensionalen Struktur und ihrer beliebigen Orientierung innerhalb einer Trägerflüssigkeit nicht beliebig skalierbar hergestellt werden. Das physikalische Wirkprinzip des piezoresistiven Effekts ist ebenfalls bei dem Kohlenstoffallotrop Graphen bekannt. Graphen als 2D-Material mit einer ultradünnen Struktur ist ein Werkstoff mit außerordentlichen intrinsischen Eigenschaften. Graphen besitzt u.a. einen sehr hohen Elastizitätsmodul von etwa 1000 GPa und eine maximale Bruchfestigkeit von etwa 120 GPa, bei einer elastischen Dehnbarkeit von bis zu 25 %. Die Ladungsträgerbeweglichkeit von Graphen ist abhängig vom Substrat. Während Graphen auf dem Substrat SiO2 eine Ladungsbeweglichkeit von bis zu 25.000 cm2V-1s-1 aufweist, liegt die Ladungsbeweglichkeit bei Kapselung in hexagonalem Bornnitrid bei über 170,000 cm2V-1s-1. Die intrinsische Sensitivität/piezoresistiver Effekt (Änderung des elektrischen Widerstandes als Funktion der definierten Deformation) ist in einer einzelnen Graphenmembran eher gering, jedoch in einer Beschichtung bei der ein Netzwerk von Graphen Nanopartikel vorhanden sind, können aufgrund des Tunneleffekts durch Interaktion in einem Netzwerk höhere Empfindlichkeiten erreicht werden. Die Nutzung von Nichtlinearität, insbesondere an der Perkolationsschwelle ermöglicht eine sehr hohe Sensitivität. Zusätzlich können durch ein direktes Aufwachsen auf ein Substrat mittels chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) Korngrößen von einigen Nanometern erreicht werden. Dadurch wird die Anzahl der Korngrenzen um etwa einen Faktor 1000 erhöht ( ), was wiederum die Sensitivität um etwa einen Faktor 300 vergrößern kann. Dies kann die Sensitivität von Membran-basierten Bauelementen im Vergleich zu einkristallinem Graphen somit sehr stark erhöhen. Im Stand der Technik wird der Werkstoff Graphen für membranbasierte MEMS Sensoren aufgezeigt. Solche sind zum Beispiel Beschleunigungsaufnehmer, nano hochfrequente Schalter, Lautsprecher und Drucksensoren zu sehen. Für den Fall von Graphen-basierten Drucksensoren besitzen diese Bauelemente im Vergleich zu anderen Technologien (Silizium-, Polymer- und Graphennanoröhrchen) eine um Faktor 50-100 höhere Sensitivität (Änderung des elektrischen Widerstandes als Funktion der definierten Deformation) als andere vergleichbare Sensoren.
  • Problemstellung und Aufgabe
  • „Structural Health Monitoring (SHM) erfordert die kontinuierliche oder periodische und automatisierte Bestimmung und Überwachung des Zustandes eines Überwachungsobjektes innerhalb der Zustandsüberwachung (gemäß DIN ISO 17359). Dies geschieht durch Messungen mit permanent installierten bzw. integrierten Sensoren [...]“. Die Erfindung umfasst eine permanent installierte Oberflächenbeschichtung aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material, die durch statische (z.B. mechanische Spannungen, Dehnungen, Verschiebungen) und dynamische Kenngrößenermittlung (z.B. Bestimmung der modalen Parameter Steifigkeit und Dämpfung eines dynamischen Systems) sowie die kontinuierliche Zustandsüberwachung durch Wellenausbreitung (z.B. Ultraschallwellen, Geführte Wellen und Schallemissionen) eine Schadensdiagnose und Zustandsüberwachung der Struktur im SHM ermöglicht.
  • Es liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine hohe Mess- und Erfassungsgenauigkeit (großflächiger Auftrag, hohe Sensitivität und große Signalauflösung) gegenüber Versagensmechanismen wie beispielsweise Deformationen, (Mikro-)Risse, Delaminationen, plastische Deformation, Steifigkeitsänderungen eine Rückmeldung zum Zustand des Systems zu bekommen. Das Verfahren und System zur Erkennung von Deformationen oder Deformationsänderungen nutzt Graphen oder graphenähnliche 2D-Material als sensitives Beschichtungsmaterial zur selbstdiagnostizierenden Schadens- und Zustandsüberwachung von mechanischen Strukturen im SHM, was einen klaren Abkehr aus dem Stand der Technik darstellt. Bevorzugt wird das Beschichtungsmaterial vollflächig aufgebracht und so eine intelligente Struktur geschaffen, die beispielsweise eine Analogie zum Nervensystem eines biologischen Systems bildet und somit selbstdiagnostizierend ist.
  • Erfindungsbeschreibung
  • Das Verfahren zur Erkennung von Deformationen oder Deformationsänderungen an beschichteten Bauteilen unterliegt einer Oberflächenbeschichtung, die den piezoresistiven Effekt als physikalisches Wirkungsprinzip nutzt und dadurch gekennzeichnet ist, dass eine permanent installierte Oberflächenbeschichtung aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material auf die mechanische Struktur appliziert wird, und dass durch eine statische und dynamische Kenngrößenermittlung und/oder eine kontinuierliche Zustandsüberwachung durch Wellenausbreitung eine selbstdiagnostizierende Schadens- oder Zustandsüberwachung von mechanischen Strukturen im Structural Health Montoring (SHM) erfolgt. Kritische mechanische und thermische Belastungen sowie Ermüdung durch zyklische Beanspruchung führen zur strukturellen Veränderungen innerhalb des beschichteten Substrats. Ein Versagensmechanismus innerhalb der Struktur (Rissentstehung und - wachstum, Delamination, Steifigkeitsänderung, Änderung modaler dynamischer Parameter) kann durch kritische Belastungszustände oder Ermüdung auftreten, die eine uni- oder mehraxiale Deformation der Beschichtung aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material zur Folge hat. Insbesondere wird erfindungsgemäß ein Versatz, eine Auslenkung, eine Längenänderung, eine Verformung und/oder eine Krümmung, zumindest eines Teils bzw. Bereiches der Beschichtung durch eine elektrische Widerstandsänderung erkannt und hinsichtlich einer Abweichung von einem Anfangszustand ausgewertet. Dabei stellt beispielsweise die Wheatstone'sche Brückenschaltung einen bekannten Schaltkreis zur präzisen Ermittlung der Widerstandsänderung dar.
  • Die Sensitivität auf die beschriebenen Versagensmechanismen wird durch Nutzung von Nichtlinearitäten und der perkolierenden Leitfähigkeit von Netzwerken aus Graphen oder graphenähnliche 2D-Materialien oder nanokristallinem Graphen mit vielen Korngrenzen verstärkt. Das Verfahren und System zur Erkennung von Deformationsänderungen zielt auf die Ermittlung statischer Kenngrößen (z.B. mechanische Spannung, mechanische Dehnung, mechanische Verschiebung), dynamischer Kenngrößen (z.B. modale dynamische Parameter: Steifigkeit, Dämpfung, Eigenfrequenzen, Eigenformen des dynamischen Systems), um eine zerstörungsfreie Schadensdiagnose an der Struktur durchzuführen. Des Weiteren unterliegt der Oberflächenbeschichtung die Detektion wellenbasierter Kenngrößen, die die Ausbreitung und das Laufzeitverhalten von Ultraschallwellen (veränderte Wellenausbreitung durch Risse) oder Schallemission innerhalb der Struktur aufzeigen.
  • Das Verfahren und System zur Erkennung von Deformationen oder Deformationsänderungen an Beschichtungen aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material ist dabei durch mindestens ein nicht leitfähiges Trägersubstrat oder ein Zwischensubstrat (z.B. in Form eines Polymers) gekennzeichnet, welches die Beschichtungsoberfläche und somit die Struktur zur Schadensdiagnostik und Zustandsüberwachung bildet.
  • Die Erfindung betrifft den Aufbau und Applikation einer Dünnschichtbeschichtung aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material, die als Nanopartikel in einem Trägermedium (flüssig, gelförmig oder fest) verteilt sind und auf geometrisch beliebige Substratoberflächen aufgebracht oder mittels (plasmagestützter) chemischer Gasphasenabscheidung (CVD oder PECVD) direkt auf der Trägeroberfläche aufgewachsen werden. Die Substratoberfläche des beschichteten Materials kann neben einer mechanische Struktur ebenfalls ein elektronisches Bauelement (z.B. ein mikroelektromechanisches System, MEMS) darstellen. Gemäß der Erfindung kann die Beschichtung ebenfalls auf mindestens ein Zwischensubstrat (z.B. Polymer-Material) aufgebracht werden, welches auf den Träger appliziert wird.
  • Das Verfahren und System zur Erkennung von Deformationen oder Deformationsänderungen an Bauteilen durch Beschichtungen aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material unterliegt vorzugweise einem Beschichtungsverfahren über einem Zerstäuber, der komprimierte Gase als Treibmittel nutzt. Ferner kann der Auftrag der Beschichtung über ein Verfahren zur Rotationsbeschichtung, zum Sputtern oder zum Drucken- beispielsweise Inkjet-Druck oder Siebdruck, der feine Tropfen auf das Substrat aufbringt, erfolgen. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann ebenfalls durch die Aufdampftechnik (z.B. drop-casting) oder direktes Aufwachsen mittels einer Gasphasenabscheidung aufgebracht werden, in dem das Beschichtungsmaterial aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material unter Vakuum an der Trägeroberfläche deponiert wird. Das Verfahren und System zur Erkennung von Deformationen oder Deformationsänderungen an Bauteilen durch Beschichtungen aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material unterliegen die vorgestellten Verfahren aus dem Stand der Technik. Allen Prozessen unterliegt gemäß der Erfindung eine Möglichkeit zur einheitlichen, kontrollierbaren und reproduzierbaren Herstellung der Beschichtung aus Graphen, in dem die Beschichtung über die aufgetragene Menge, Beschichtungszeit oder Schichtdicke, oder indirekt durch Erfassen des elektrischen Widerstands der Beschichtung während des Beschichtungsvorgang vermessen wird, um eine definierte und reproduzierbare Beschichtung zu gewährleisten. Die Beschichtung kann modular und in beliebigen geometrischen Formen auf mindestens ein nichtleitfähiges Trägersubstrat oder mindestens ein Zwischensubstrat aufgetragen werden. Der erfindungsgemäßen Beschichtung unterliegt ebenfalls eine miniaturisierte Beschichtungsform auf einem miniaturisierten Trägersubstrat. Aufgrund eines großen Flächenwiderstands kann durch ein hohes Breiten zu Längen Verhältnis der Beschichtung eine miniaturisierte sensitive Deformationsänderung erreicht werden.
  • Der Erfindung unterliegt zudem eine Vorbehandlung des Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material in einem Trägermedium. Dabei kann durch Zentrifugieren oder Filtrieren des Trägermediums eine definierte Nanopartikelgröße von Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material abgeschieden und in die Beschichtung eingebracht werden. Zur Vermeidung von Agglomeration der Nanopartikel kann eine Vorbehandlung im Ultraschallbad oder eine Einbettung von Tensiden erfolgen.
  • Das Verfahren und System zur Erkennung von Deformationen oder Deformationsänderungen an Bauteilen durch Beschichtungen aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material unterliegt ebenfalls der Prozessierung durch Maskierung oder durch einen Abtrag von Laserstrahlen, um beliebige Formen auf die Substratoberfläche aufzubringen. Die Erwärmung des Beschichtungsmaterials und/oder des Substrates bewirkt dabei ein besseres Auftragen der Beschichtung. Zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit kann die Beschichtung ebenfalls thermisch oder mit Laserstrahlen nachbehandelt werden. Die Erfindung kann zumindest lokal bzw. in Teilbereichen nachbehandelt werden, um spezielle Eigenschaften (z.B. verbesserte Leitfähigkeit in Teilbereichen) zu erreichen.
  • Zustandsänderungen infolge thermischer Einflüsse zeigen sich ebenfalls in einer elektrischen Widerstandsänderung und können zur multifunktionalen Anwendung der sensitiven Oberflächenbeschichtung aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material genutzt werden. Ferner ist die Erfassung zu anderen Messgrößen wie z.B. der relativen Feuchte möglich, da eine Absorption der Feuchtigkeit durch das Beschichtungsmaterial erfolgen kann und sich ebenfalls in einer elektrischen Widerstandsänderung zeigt. Eine Sensitivität der Beschichtung zu weiteren Messgrößen wie elektromagnetischen Wellen und Licht liegt ebenfalls vor. Der Erfindung unterliegt eine Beschichtung mit mindestens einer zusätzlichen Verkapselungsschicht, um die Querempfindlichkeit des Beschichtungsmaterials auf Einflüsse außerhalb der Hauptfunktionalität einzuschränken oder zu eliminieren. Die Verkapselung kann dabei ebenfalls eine funktional angepasste Verkapselung darstellen, um eine zusätzliche Sensitivität zu erhalten, die mit mindestens einer weiteren Funktionalität (zusätzlich und/oder ergänzend zu den Hauptfunktionalitäten) kombiniert wird. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann somit auch eine multifunktionale Anwendung beabsichtigen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Es zeigt, jeweils schematisch:
    • 1: Eine Beschichtung direkt auf Trägersubstraten oder Zwischensubstrat aus Polymer,
    • 2: Nachbehandlungsmaßnahmen der Beschichtung,
    • 3: Eine verkapselte Beschichtung zur Erfassung mechanischer Dehnung und/oder Druck,
    • 4: Einkristallines/Nanokristallines Graphen oder graphenähnliches 2D-Material mit wenig/viel Korngrenzen als Beschichtungsmaterial
    • 5: Ein Bauelement mit freitragender nanokristalliner Graphen-Schicht und bedeckender Schutzschicht
  • In 1 ist schematisch das Verfahren und System von Deformation oder Deformationsänderung an beschichteten Bauteil dargestellt. Über ein Beschichtungsverfahren 15 - in diesem Beispiel ein Zerstäuber - wird eine permanent installierte Oberflächenbeschichtung aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material 11 appliziert, die zur statischen und dynamischen Kenngrößenermittlung und/oder einer kontinuierlichen Zustandsüberwachung durch Wellenausbreitung 19 genutzt wird. Auf diese Weise erfolgt eine zerstörungsfreie, selbstdiagnostizierende Schadens- oder Zustandsüberwachung von mechanischen Strukturen im Structural Health Montoring. Kritische Belastungszustände oder Ermüdung werden durch eine uni- oder mehraxialen Deformation 16, 17 von Graphen oder von Graphen ähnlichem 2D-Material beschichteten Trägersubstrat 12 oder Zwischensubstrat 13 abgebildet, indem insbesondere ein Versatz, eine Auslenkung, eine Längenänderung, eine Verformung und/oder eine Krümmung erkannt wird, und indem zumindest ein Teilbereich der Beschichtung mittels einer elektrischen Widerstandsänderung 20, welche mit einem Anfangszustand verglichen wird, ausgewertet wird.
  • Eine thermische Nachbehandlung 21 , eine Nachbehandlung der Beschichtung durch Laserstrahlung 22,24 oder ein Laserabtrag 23,24 der Beschichtung, welche in 2 schematisch gezeigt werden, erhöhen die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung und zielen auf die Herstellung einer reproduzierbaren Beschichtung in Schichtdicke, Homogenität, Transparenz und Form ab.
  • Querempfindlichkeiten zu anderen Messgrößen neben der Hauptfunktion 16,17,19,20 werden durch mindestens eine Verkapselungsschicht 18, die die Beschichtung bedeckt und schematisch in 3 und 5 dargestellt ist, abgeschwächt oder vollständig eliminiert. Gemäß der Erfindung kann die Verkapselungsschicht 18 wahlweise ebenfalls funktional angepasst werden, insbesondere um eine zusätzliche Sensitivität, die mit mindestens einer weiteren Funktionalität durch weitere Messgrößen (z.B. relative Feuchte, Licht, elektromagnetische Wellen) kombinierbar ist.
  • Es liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine hohe Mess- und Erfassungsgenauigkeit (großflächiger Auftrag 15, hohe Sensitivität 20 und große Signalauflösung) gegenüber Versagensmechanismen wie beispielsweise Deformationen, (Mikro-)Risse, Delaminationen, plastische Deformation, Steifigkeitsänderungen eine Rückmeldung zum Zustand des Systems zu bekommen. Das Verfahren und System zur Erkennung von Deformationen oder Deformationsänderungen nutzt Graphen oder graphenähnliche 2D-Material als sensitives Beschichtungsmaterial 11 zur selbstdiagnostizierenden Schadens- und Zustandsüberwachung von mechanischen Strukturen im SHM, was einen klaren Abkehr aus dem Stand der Technik darstellt. Die Oberflächenbeschichtung aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material 11 kann modular und in beliebigen geometrischen Formen auf ein nichtleitfähiges Trägersubstrat 12 oder Zwischensubstrat 13 aufgebracht werden. Bevorzugt wird das Beschichtungsmaterial 12, 13 vollflächig aufgebracht 25, 26 (siehe 4) und so eine intelligente Struktur geschaffen, die beispielsweise eine Analogie zum Nervensystem eines biologischen Systems bildet und somit selbstdiagnostizierend ist. Erfindungsgemäß ist ebenfalls eine in Luft freitragende Beschichtungsstruktur 27, die in 5 schematisch dargestellt ist. Der piezoresistive Effekt einer Beschichtung aus einem Netzwerk von Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material kann beliebig in der Sensitivität für die Messaufgabe angepasst werden. Eine Beschichtung aus einem Netzwerk von Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material oder nanokristallines Graphen oder Graphen ähnliche 2D-Material mit vielen Korngrenzen 26 (zum Vergleich 25 in 4) erhöht die Sensitivität gegenüber den Versagensmechanismen.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    Oberflächenbeschichtung aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material
    12
    Trägersubstrat
    13
    Zwischensubstrat
    14
    Elektrische Kontaktierung/Widerstandsmessung
    15
    Verfahren zum Auftragen
    16
    mechanische Belastung/ Dehnung
    17
    mechanische Druckbelastung
    18
    Verkapselung
    19
    statische/dynamische Deformationsänderung
    20
    Messung der Widerstandsveränderung
    21
    thermische Nachbehandlung
    22
    Laserstrahlbehandlung
    23
    Laserabtrag
    24
    Laser
    25
    einkristallines Graphen oder graphenähnliches 2D-Material mit wenig Korngrenzen als Beschichtungsmaterial
    26
    nanokristallines Graphen oder graphenähnliches 2D-Material mit vielen Korngrenzen als Beschichtungsmaterial
    27
    Luft

Claims (11)

  1. Verfahren zur Erkennung von Deformationen oder Deformationsänderungen an beschichteten Bauteilen über mechanische Dehnungen (16) in der Oberflächenbeschichtung der Struktur- bzw. Substratoberfläche, mit Ausnutzung des piezoresistiven Effekts von Graphen oder von Graphen ähnlichem 2D-Material, dadurch gekennzeichnet, dass eine permanent installierte Oberflächenbeschichtung aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material (11) auf die mechanische Struktur (12,13) appliziert wird, und dass durch eine statische und dynamische Kenngrößenermittlung und/oder eine kontinuierliche Zustandsüberwachung durch Wellenausbreitung (19) eine selbstdiagnostizierende Schadens- oder Zustandsüberwachung von mechanischen Strukturen im Structural Health Montoring erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versagensmechanismus innerhalb der Struktur durch kritische Belastungszustände oder Ermüdung mit einer uni- oder mehraxialen Deformation (16, 17) von Graphen oder von Graphen ähnlichem 2D-Material beschichteten Trägersubstrat (12, 13) abgebildet wird, indem insbesondere ein Versatz, eine Auslenkung, eine Längenänderung, eine Verformung und/oder eine Krümmung erkannt wird, und indem zumindest ein Teilbereich der Beschichtung mittels einer elektrischen Widerstandsänderung (20), welche mit einem Anfangszustand verglichen wird, ausgewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung direkt auf mindestens ein nichtleitfähiges Trägersubstrat (12) oder auf mindestens ein Zwischensubstrat (13) aufgebracht wird, welches auf das Trägersubstrat (12) appliziert wird.
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduktion oder vollständigen Eliminierung der Querempfindlichkeiten zu anderen Messgrößen mindestens eine Verkapselungsschicht (18) die Beschichtung bedeckt, wobei die Verkapselungsschicht (18) wahlweise auch funktional angepasst ist, insbesondere um eine zusätzliche Sensitivität, die mit mindestens einer weiteren Funktionalität kombinierbar ist.
  5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mindestens eine elektrische Kontaktierung (14) zur Erfassung einer elektrischen Widerstandsänderung (20) innerhalb der Beschichtung aufweist, die eine uni- oder multifunktionale Beschichtung gewährleistet und wobei über elektrische Widerstandsänderung (20) mindestens eine physikalische Zustandsänderung auswertbar ist.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Nachbehandlung (21) oder eine Nachbehandlung der Beschichtung durch Laserstrahlung (22) erfolgt, um die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung zu erhöhen oder eine definierte Beschichtung in Schichtdicke, Homogenität, Transparenz oder elektrischem Widerstand herzustellen.
  7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maskierung genutzt wird und/oder eine Nachbehandlung der Beschichtung durch Laserbestrahlung (23) erfolgt, um beliebige Beschichtungsformen, insbesondere Beschichtungsstrukturen und/oder Beschichtungsdicken aufzubringen.
  8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Beschichtungsprozesses gleichzeitig eine Widerstandsmessung (20), Schichtdickenmessung, Beschichtungszeitmessung oder Beschichtungsmasse erfolgt.
  9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Vorbehandlung des aufzutragenden Beschichtungsmediums mit Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material definierte, vorgebbare oder einheitliche Nanopartikelgrößen und/oder Nanopartikelverteilungen aufgetragen werden.
  10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerte- und Steuereinheit (20) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, ein vorgebbares Maß übersteigende Zustandsänderung der Beschichtung als Versagensmechanismus infolge von kritischer mechanischer und/oder thermischer Belastung oder Ermüdung zu werten.
  11. System zur Erkennung von Deformationen oder Deformationsänderungen an beschichteten Bauteilen über mechanische Dehnungen (16) in der Oberflächenbeschichtung (11) der Struktur- bzw. Substratoberfläche, mit Ausnutzung des piezoresistiven Effekts von Graphen oder von Graphen ähnlichem 2D-Material, dadurch gekennzeichnet, dass eine permanent installierte Oberflächenbeschichtung aus Graphen oder Graphen ähnlichem 2D-Material (11) auf die mechanische Struktur appliziert ist, und dass durch eine statische und dynamische Kenngrößenermittlung und/oder eine kontinuierliche Zustandsüberwachung durch Wellenausbreitung (19) eine selbstdiagnostizierende Schadens- oder Zustandsüberwachung von mechanischen Strukturen im Structural Health Montoring erfolgt, wobei eine Auswerte- und Steuereinheit (20) eine ein vorgebbares Maß übersteigende Zustandsänderung der Beschichtung (11) als Versagensmechanismus infolge von kritischer mechanischer (16) und/oder thermischer Belastung oder Ermüdung detektiert.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109883347A (zh) * 2019-03-14 2019-06-14 北京大学 一种基于光学三倍频的测量二维材料中应变张量的装置及方法

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DE102010050571A1 (de) 2010-11-05 2012-05-10 Hochschule Für Technik Und Wirtschaft Des Saarlandes Sensorschichtensystem, Verfahren zu dessen Herstellung, und piezoresistiver Sensor mit einem solchen Sensorschichtensystem
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