Daarbij die molen... die mooie molen...

Ze zijn al niet zo idyllisch, die windmolenparken langs de autoweg, maar als je er bij bedenkt dat een afbrekende wiek voor dood en vernieling kan zorgen, heb je het helemaal gehad. En dat gevaar is in het geheel niet zo theoretisch…

De moordende molen

Vele moderne constructies uit het dagdagelijkse leven worden vervaardigd uit composieten, een materiaal dat is opgebouwd uit verschillende componenten zoals glasvezel in een kunststof. Het resultaat is een sterker, flexibeler, lichter bouwmateriaal met gewenste gewijzigde eigenschappen. Composieten worden niet alleen gebruikt in allerhande meubels, elektronische toestellen, auto-onderdelen en zelfs tandvullingen, maar zijn ook belangrijke componenten in vliegtuigtoestellen en grotere constructies zoals windturbines. Het is vooral bij deze laatste toepassingen dat er een slapend maar steeds aanwezig imminent gevaar schuilt.

Een verhaal over spanning en druk

De verschillende materialen waaruit een composiet bestaat, hebben verschillende vervormingscapaciteiten. Dit resulteert in een hoge spanningsconcentratie (omcirkeld in figuur 1) gegenereerd aan de interface van deze materialen. Wanneer de spanning op een bepaald punt te groot wordt, ontstaat er een microscopisch barstje dat langzamerhand zal groeien (zie figuur 2).

Schade kan heel vroeg optreden (voordat 10% van de levensduur bereikt is). Afname van de materiaalsterkte is het grootste gevolg van deze interne structurele schade, wat uiteindelijk aanleiding zal geven tot het plotse falen van de constructie. De wetenschap van de levensduur van deze constructies is dus van groot belang voor de operationele betrouwbaarheid van de constructie en voor de veiligheid van de mens.

Aangezien laboratoriumtests geen betrouwbare voorspellingen van de levensduur kunnen leveren, wordt er veel tijd en onderzoek besteed aan het continue controleren van de werkelijke schade. Door de jaren heen zijn al heel wat methoden gesuggereerd om schade in composieten vast te stellen. Helaas zijn al deze technieken arbeidsintensief en daarom ook zeer kostelijk. Er bestaan twee grote groepen controletechnieken: ingebouwde in niet-ingebouwde controletechnieken. Niet-ingebouwde sensoren worden tijdens een controle tijdelijk aan het oppervlakte van de constructie gemonteerd. Deze ‘oppervlakkige’ controletechnieken vastgemaakt aan de buitenkant zijn niet in staat om interne schade te detecteren tenzij deze al zeer ver gevorderd is (op microschaal). Ingebouwde sensoren worden verwerkt in de composiet maar door een onvoldoende verenigbaarheid met het composietmateriaal zal het zelf een potentiele bron zijn voor beginnende schade. Door relatief grote omvang van de sensor zijn er slechts een gelimiteerd aantal puntmetingen mogelijk. Door deze lage beeldfijnheid kan beginnende schade over het hoofd gezien worden.

Het licht springt of oranje…

Deze scriptie, die een deel uitmaakt van het ENCLOSE (“Embedded sensor Network in Composites for LOcal SEnsing”) project, richt zich op de ontwikkeling van een nieuwe generatie van geïntegreerde sensoren voor composieten. Zelf-detecterende composieten nemen een andere benadering. In plaats van een sensor te ontwikkelen die de schade meet in een composiet, is het hier de bedoeling om te meten waar mogelijks schade kan ontstaan. Deze sensoren zijn gebaseerd op een eigenschap genaamd mechanoluminescentie. Een mechanoluminescent materiaal is een speciale klasse van materiaal dat licht uitzendt wanneer er een druk wordt op uitgeoefend. Zoals eerder aangehaald is er een spanningsopbouw voorafgaande aan de ontstane schade. Spanning in een composiet zorgt voor heel lokale druk. Deze druk wordt door de mechanoluminescente sensoren omgezet in een optisch signaal.

De hoofdstudie van deze scriptie is de ontwikkeling van strontium aluminaat waarin divalent europium en trivalent dysprosium (SrAl2O4:Eu2+,Dy3+) is ingebracht, wat het meest geschikte mechanoluminescent materiaal is als optische sensoren. De strontium aluminaat deeltjes moeten niet alleen kristallijn zijn (hun atomen moeten perfect gerangschikt staan in een rooster), maar ze moeten ook heel klein zijn om geen extra interne schade te creëren. Daarom hebben we besloten om deze deeltjes op ultrakleine schaal te produceren, dit garandeert ook een perfect homogene verdeling van de deeltjes in het materiaal. Strontium aluminaat nanodeeltjes (één nanometer is één miljardste van een meter) zijn nog nooit geproduceerd. We hebben verschillende methodes getest om deze nanodeeltjes te produceren. Er werd hierbij steeds gestreefd naar milieu vriendelijke en energie-efficiënte processen zoals het gebruik van microgolfovens i.p.v. traditionele hete lucht ovens.

Wat de impact van de geïntegreerde sensor op het composietmateriaal heeft en vice versa zal tijdens verder onderzoek bestudeerd worden. De uiteindelijke zelf-detecterende composieten zouden dan in staat zijn om het ontstaan en verdere ontwikkeling van lokale en gedistribueerde schade te detecteren en te rapporteren. Er kan dan veel sneller, efficiënter en economischer ingegrepen worden met als gevolg dat de constructie steeds veilig is en een langere levensduur kent.

Binnenkort nog meer lichtjes in het donker???

Het gebruik van composieten is al razend populair en zal in de toekomst enkel toenemen. Grote constructies vervaardigd uit composieten bieden naast de zovele voordelen ook een gevaar. Het is daarom absoluut noodzakelijk om de schadeontwikkeling in composietmaterialen continue te controleren op hun veiligheid om het gebruik van deze constructies te garanderen. Zelf-detecterende composieten kunnen aangewend worden om uiterst veilige vliegtuigtoestellen, gebouwen en windturbines, zodat we in de toekomst nog steeds kunnen genieten van al hun voordelen zonder te moeten vrezen dat er een windmolenwiek of vliegtuigvleugel afbreekt en een ongeval veroorzaakt.