Projekte

In Anwendungen, in denen unter komplexen Umgebungsbedingungen Drücke gemessen werden müssen, sind Drucksensoren mit entsprechenden Eigenschaften erforderlich. Beispiele sind adaptronische Hochtemperatur-Anwendungen wie Turbinenschaufeln oder Glühkerzen mit integrierter Drucksensorik in der Automobiltechnik. Ziel des Projektes ist eine Erforschung der Möglichkeit, hier bereits bewährte Strukturkeramiken direkt auch als Sensoren zu nutzen.

Neue Anwendungsfelder für SiOC-Keramiken

Die hier vorgestellten Ergebnisse entstanden in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt innerhalb des Schwerpunktprogramms 1181 „Nanomat“ in Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet „Disperse Feststoffe“ des Fachbereichs Materialwissenschaft der TU Darmstadt, dem Fachgebiet SzM der TU Darmstadt und dem Fraunhofer LBF. Gegenstand der Untersuchungen sind SiOC–Keramiken, die vom Projektpartner mit dem übergeordneten Ziel hergestellt wurden, die Struktur-Eigenschaft-Beziehung dieser Keramiken durch Variation der Herstellungsparameter zu erforschen. Zum Nachweis und zur Quantifizierung der Piezoresistivität wurden kleine Proben (ca. 5 x 5 x 5 mm³) mit einem am Fraunhofer LBF entwickelten Prüfstand mit mechanischem Druck zyklisch belastet (Abb. 2). Simultan dazu wurde der Ohmsche Widerstand der Proben gemessen (Abb. 3). Es zeigt sich, dass die SiOC-Keramiken einen deutlich ausgeprägten piezoelektrischen Effekt mit hoher Dehnungsempfindlichkeit aufweisen. Diese grundlegende Feststellung ist die Basis für die Annahme, dass diese Keramiken künftig neue Anwendungsfelder im Hochtemperaturbereich erschließen werden.

Flankierend wurden erste Untersuchungen zu zuverlässigkeitsrelevanten Eigenschaften durchgeführt. Von besonderem Interesse sind die Hochtemperaturbeständigkeit und die mechanische Festigkeit. Für die Hochtemperaturbeständigkeit wurde ein Prüfstand aufgebaut, der die Proben mittels elektrischen Stroms beheizt und somit in der Lage ist, auch schnelle Temperaturwechsel bis auf 1200°C zu realisieren (Abb. 1).

Für die Bestimmung der mechanischen Festigkeit ist in Kooperation mit der ISYS GmbH, einer Ausgründung des Fraunhofer LBF, eine an die geringe Größe der Proben angepasste 4-Punkt-Biege-Prüfmaschine entwickelt und aufgebaut worden (Abb. 4). Durch die Verwendung von Piezoaktoren und einer mechanischen Vorspannungseinrichtung ließen sich die Versuche einfacher durchführen als mit vorhandenen Prüfmaschinen. Dies gewährleistete eine gute Reproduzierbarkeit der Prüfungen. Aufgrund der gelungenen Prüfversuche und des erwarteten Potenzials wird die Prüfumgebung hinsichtlich größerer Kräfte, Stellwege und Frequenzbereiche weiterentwickelt. Erste Ergebnisse der Festigkeitsmessungen an piezoresistiven SiOC-Proben sind in Abb. 5 dargestellt.

Kundennutzen

Es wird erwartet, dass die Entdeckung der Piezoresistivität in SiOC-Keramiken viele bisher nur angedachte, aber nicht realisierte Anwendungsfelder erschließen wird. Durch die hier angestellten Untersuchungen besitzt das Fraunhofer LBF Know-how im Bereich der umfassenden Charakterisierung dieser Werkstoffe und Systeme hinsichtlich Funktionalität und Zuverlässigkeit. Lastenheft-Anforderungen an die Drucksensorik können jetzt mit dem erarbeiteten Equipment abgeprüft werden.