Development of fiber-based piezoelectric sensors for the load monitoring of dynamically stressed fiber-reinforced composites

材料科学 复合材料 压电 聚偏氟乙烯 复合数 芯(光纤) 极限抗拉强度 同轴 纤维 压电传感器 电压 电极 聚丙烯 聚合物 机械工程 电气工程 化学 物理化学 工程类
作者
Hung Le Xuan,Eric Haentzsche,Andreas Nocke,Nguyen H. Tran,Iris Kruppke,Chokri Cherif
出处
期刊:Smart Materials and Structures [IOP Publishing]
卷期号:32 (4): 045013-045013 被引量:3
标识
DOI:10.1088/1361-665x/acbd75
摘要

Abstract Continuous load monitoring of fiber-reinforced composites represents a complex challenge for the composite sector. In this paper, the development and characterization of piezoelectric sensors for structural health monitoring applications based on polyvinylidene fluoride (PVDF) are presented. The basic sensor structures are melt spun bicomponent filaments in a core-sheath configuration. The core is a volumetric mixture of polypropylene (PP) and Pre-Elec PP, a PP-compound modified with carbon black. The sheath is made of PVDF. Three variants with increasing volumetric Pre-Elec ratio in the core (50 vol.%, 60 vol.% and 70 vol.%) are manufactured and analyzed by conducting optical and resistance measurements as well as tensile tests. In the subsequent process step, the bicomponent filaments are braided with copper fine wires. The PP core and copper braiding of the coaxial tricomponent yarn are used as inner and outer electrode, respectively. By generating an electrostatic high voltage field between these electrodes, the PVDF interlayer is subjected to contact polarization to initialize the piezoelectric effect. The piezoelectric characteristics and thereby the sensory potential of the produced sensor yarns are quantified and analyzed on the fiber and composite scale by investigating their piezoelectric behavior during cyclic tensile tests. The results of the different sensor yarn variants are compared with each other by evaluating the measured voltage signal as a function of the induced cyclic stresses.

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