Development of Conductive Polymer Composites for the Material Extrusion of Dielectric Elastomer Actuators

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Die Forschung auf dem Gebiet der Aktuatoren für Spezialeinsätze hat in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen und große Beachtung gefunden. Um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, werden Aktuatoren in vielen verschiedenen Varianten eingesetzt. In letzter Zeit hat das Potenzial dielektrischer Elastomer-Aktuatoren (DEAs) vielversprechende Ergebnisse gezeigt. In dieser Arbeit wurde der Fokus auf die Materialentwicklung der Elektroden für DEAs gelegt, mit dem Ziel, dass das entwickelte Material, bei gleicher Elastizität eine bessere elektrische Leitung aufweist als das kommerziell erhältliche Material. Im Rahmen des COMET-Moduls Chemitecture wurde in Zusammenarbeit mit der Polymer Competence Center Leoben (PCCL) GmbH die Forschung unterstützt. Der additive Fertigungsprozess der Aktuatoren erfolgte mittels Materialextrusion. Aufgrund von Vorversuchen erwiesen sich silberbeschichtete Kohlenstofffasern als die vielversprechendsten Füllstofftypen für diese Anwendung. Das gewählte Matrixmaterial war eine TPE-Type vom Hersteller BASF. Mit unterschiedlichen Füllgraden wurden Conductive Polymer Composites (CPCs) in Form von Filamenten hergestellt und mittels Zugversuchen, Mikroskopie und Messung des elektrischen Widerstands eine Materialqualifizierung vorgenommen. Die ersten Ergebnisse mit rein silberbeschichteten Carbonfasern als Füllstoff erwiesen sich als bessere Elektroden, verglichen mit dem Referenzmaterial. Im Vergleich zur Referenz wurde mit dem CPC, welcher mit 15 vol.% silberbeschichteten Carbonfasern gefüllt war, die gleiche Verschiebung von 110 % bei einer Spannung von 2,8 kV erreicht (Referenzmaterial benötigte 5,4 kV). Somit wurde für die gleiche Verschiebung nur die Hälfte der Spannung benötigt. Bei der Messung des elektrischen Widerstandes war jedoch ein Impuls von 2 kV notwendig, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhalten. Für die Aktuatoren war dies aber kein Problem, da diese bei höheren Spannungen (> 2 kV) betrieben werden. Als weiterer Schritt wurden die Elektroden weiter verbessert, um sie auch im niedrigen Spannungsbereich (< 1 kV) als Heizungen zu verwenden. Es konnte zwar eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit erreicht werden, aber die additive Fertigung der verbesserten CPCs erwies sich als schwierig, da sich mit den elektrisch leitfähigen Füllstoffen auch die Wärmeleitfähigkeit verbesserte. Dadurch waren die hergestellten Filamente nicht mehr druckbar, weil sie zu früh erweichten und somit nicht mehr extrudiert werden konnten. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wurde versucht die TPE-Matrix durch eine elektrisch leitende Matrix (TPE + spezielle Carbon Struktur) zu ersetzen, um die Wärmeleitung zu verringern. Dies führte aber auch nicht zum Erfolg, da sich das Material als zu weich erwies und die Fördereinrichtung im Drucker das Filament abrieb. Abschließend kann gesagt werden, dass das im Vorhinein gesetzte Ziel mit der Verbesserung der Elektroden für Aktuatoren erreicht wurde, jedoch für Heizungen die Materialien nicht einsetzbar waren.

Details

Titel in ÜbersetzungEntwicklung leitfähiger Polymerkomposite für die Materialextrusion von dielektrischen Elastomer-Aktuatoren
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung21 Okt. 2022
DOIs
StatusVeröffentlicht - 2022