Material- und Struktursensorik

Metamaterialien – Möglichkeiten der Realisierung passiv wirkender smarter Strukturen

© Fraunhofer ENAS
Im Tiefdruckverfahren hergestellte Metamaterialien, bestehend aus einem SSR-Resonator-Array auf flexiblem Foliensubstrat, für Anwendungen im Bereich der passiven Zustandsüberwachung.

Die Zustandsüberwachung von Leichtbaustrukturen oder gummielastischen Verbundmaterialien stellt aufgrund der Grenzflächenproblematik eine technische Herausforderung dar. Wo Grenzflächen und damit die unterschiedlichen Materialeigenschaften aufeinandertreffen, kann es zu komplexen Fehlermodi, wie Delaminationsprozessen, kommen, welche zum Verlust der Stabilität und Zuverlässigkeit des Materials führen. Aus diesem Grund wird im Rahmen des Bundesexzellenzclusters EXC 1075 »MERGE Technologies for Multifunctional Lightweight Structures« die Anwendung und Integration von Metamaterialien in Verbundmaterialien untersucht, um mit deren Hilfe Materialien mit sensorischen Eigenschaften hervorzubringen, die es erlauben, Zustandsinformationen berührungslos und bei Bedarf mit passiver Sensorik zu ermitteln.

Der hier verfolgte Ansatz der Realisierung von Metamaterialien mit Sensorfunktion basiert auf der Integration von elektromagnetischen Subwellenlängen-Resonatoren in einem Verbundmaterial. Die dafür notwendigen Resonatoren werden als zweidimensionales Array auf einem Substrat mittels Druck- oder Sticktechnologien appliziert. Die Dimensionierung, Ausrichtung und Anordnung der einzelnen Resonatoren ermöglicht ein spezifisches Reflexions-, Transmissions- und Adsorptionsverhalten von elektromagnetischen Wellen im Mikrowellenbereich. Treten nachträglich stoffliche Veränderungen, z. B. durch eindringende Feuchtigkeit, auf oder wird die Interaktion zwischen mehreren integrierten Resonator-Arrays durch Deformation oder Delamination beeinflusst, übernehmen die Resonatoren die Sensorfunktion und detektieren die Materialveränderungen. Die Auswertung erfolgt über eine Reflexionsmessung mittels eines hochfrequenten Mikrowellensignals sowie der Auswertung der Reflexionsantwort.