Mechanoluminescente materialen als sensor in composieten

Groep: Lumilab

Promotoren: Prof. Philippe Smet en dr. Ives De Baere (EA10, onderzoeksgroep ‘composieten’)

Begeleiding: Ang Feng

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contact-gegevens opvragen door op de naam te klikken)

Projectbeschrijving

Vele organische en anorganische materialen vertonen een lichtemissie wanneer ze gebroken of vermalen worden, wat men triboluminescentie noemt. Materialen die licht emitteren bij een elastische vervorming zijn zeldzamer, maar hebben een groter potentieel aan toepassingen gezien het niet-destructieve karakter. Deze mechanoluminescente materialen kunnen immers ingezet worden als contactloze druksensoren, op voorwaarde dat de lichtemissie voldoende sterk is en schaalt in functie van de uitgeoefende druk. De tot nu toe gekende materialen zijn meestal efficiënte persistente of glow-in-the-dark fosforen, wat een verzamelnaam is voor materialen die minuten tot uren licht blijven emitteren nadat de excitatie gestopt werd. Dit betekent dat ze in staat zijn om een hoeveelheid energie – tijdelijk – op te slaan, die onder invloed van warmte (persistente luminescentie) of druk (mechanoluminescentie) weer vrijgesteld kan worden. Over het mechanisme achter het drukafhankelijke gedrag is er nog weinig geweten, hoewel er een sterke link met piëzoelektrisch gedrag, en dus de kristalstructuur, verondersteld wordt.

Thesis 2015-2016 Lumilab6

Daarnaast beginnen vezelversterkte kunststoffen (zogenaamde composieten) alsmaar meer toepassingen te krijgen in het dagdagelijkse leven. Deze materialen zijn ideaal voor structurele applicaties waar een hoge stijfheid-gewichtverhouding en/of sterkte-gewichtverhouding nodig is, zoals bij windturbines, vliegtuigonderdelen of fietskaders. Onder zware, repetitieve belasting kan schade voorkomen onder de vorm van microscheurtjes en -gaatjes, wat gewoonlijk leidt tot macroscopisch verlies van sterkte en stijfheid. Het detecteren van deze schade is echter niet zo evident bij composieten, aangezien deze meestal niet of slechts gedeeltelijk aan het oppervlakte zichtbaar is. Het doel van deze masterproef is het experimenteel onderzoeken of het gedrag van een recent aan LumiLab ontwikkelde mechanoluminescente fosfor, nl. europium-gedoteerd BaSi2O2N2, kan gebruikt worden in composietmaterialen enerzijds voor het opsporen van zwaar belaste zones (spanningsconcentraties) en anderzijds voor het detecteren van schade in het composietmateriaal. Naargelang de interesse van de student kan de nadruk van dit afstudeerwerk liggen op volgende facetten:

  • Synthese en karakterisatie van het mechanoluminescente materiaal, waarbij getracht wordt het mechanoluminescente gedrag te koppelen aan de structurele en luminescente eigenschappen van het materiaal. Hiervoor worden specifieke analysetechnieken gebruikt, zoals thermoluminescentiespectroscopie. De relatie tussen de afterglow en de mechanoluminescentie wordt bestudeerd.
  • De drukafhankelijkheid van de mechanoluminescentie wordt bekeken wanneer het ingebed zit in een composiet of een epoxy, door het op- en ontlaadgedag en de lineariteit te bekijken bij belasting. Voor deze toepassing als druksensor wordt een servo-hydraulische trekbank van de vakgroep Toegepaste Materiaalwetenschappen (Technologiepark, Zwijnaarde) gebruikt.
  • Het maken van composietplaten en het inbrengen van het poeder op strategische plaatsen. Daarna kan gekeken worden of de zeer lokale spanningsconcentraties, als gevolg van de weefselstructuur van de versterkingsvezels, gevisualiseerd kan worden. De invloed van de belasting (trek, vermoeiing, impact) op het lichtbeeld, alsook de evolutie van dit lichtbeeld ten gevolge van schade zal worden bestudeerd en gemodelleerd.

Dit onderzoeksproject kadert in een lopende samenwerking tussen LumiLab en de onderzoeksgroep ‘composietmaterialen’ (Technologiepark).