Vorlesung Funktionswerkstoffe I & II

Transkript

1 Vorlesung Funktionswerkstoffe I & II Prof.Dr. F. Mücklich

2 Funktionswerkstoffe Was sind Funktionswerkstoffe? Werkstoffe, die mehr leisten sollen als Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit!

3 Funktionswerkstoffe Vielfalt der Funktionswerkstoffe smart materials biomimetic wise materials Self-protecting Es existieren viele Schlagworte!

4 Funktionswerkstoffe Die Natur als genialer Ingenieur- Biomimetische Werkstoffe Seitenlinienorgane Lorenzinische Ampullen Seitenlinienorgan Wahrnehmung mechanischer Umwelteinflüsse durch Mechanorezeptoren auf der Haut. Haptisches Wahrnehmungssystem Seitenlinienorgan detektiert Staudruck des Wassers und informiert über Richtung und Geschwindigkeit des Wassers! Lorenzinische Ampullen (Stefano Lorenzini 1678) befinden sich als Sinneszellen in einer gallertartigen Masse eingebettet unter der Haut. Haie sind in der Lage sowohl elektromagnetische Felder als auch hydrostatische Wellen und Wärmequellen zu lokalisieren.

5 Sensoren und Aktoren Die Natur als genialer Ingenieur- Biomimetische Werkstoffe Welche Anwendungen gibt es dafür? Ein Beispiel ist ein Hydrophon. Hierbei handelt es sich um einen wasserdichten Sensor zur Detektion von Druckschwankungen in Flüssigkeiten. Ausgangspunkt sind piezoelektrische Werkstoffe (meist Bleizirkonattitanat) mit hohem elektromechanischem Kopplungsfaktor. Meist wählt man Zusammensetzungen von Pb(Zr x Ti 1-x )O 3 mit x ~ 0.53 an der morphotropen Phasengrenze. Hier koexistieren sowohl die trigonale (rhomboedrische) als auch die tetragonale Phase. An der Phasengrenze ist der Kopplungsfaktor, die Polarisation als auch die Dielektrizitätszahl maximal. Sonderfall Hydrophon : Echolot!

6 Material Selection und Material Functions Das Kernproblem- die Interaktion zwischen Material, Funktion, Prozess und Form Funktion Material überträgt Kräfte, Wärme, registriert optische Signale, leitet elektrischen Strom etc. bei minimalem Gewicht, Kosten usw. Material Metalle, Gläser, Keramiken, Polymere, Schäume, Komposite etc. Form z.b. Bulk, Dünnschicht etc. Prozess

7 Material Selection Die Welt der Werkstoffe [Ashby et al. 2003]

8 Material Selection Ashby-Maps [Ashby et al. 2003]

9 Material Selection Ashby-Maps [Ashby et al. 2003]

10 Material Selection Ashby-Maps [Ashby et al. 2003]

11 Material Selection Beispiel 1- Leichtbauweise Masse des Stabes: Steifigkeit des Stabes: Elimination der freien Variable A: Auswahl eines Materials mit niedrigem ρ/e-verhältnis!!! [Quelle: Ashby et al. 2003]

12 Material Selection Beispiel 2- Hochfrequenzresonator [Ashby et al. 2003]

13 Sensoren und Aktoren Einleitung Was sind Sensoren und Aktoren? Sensoren Aktoren Sensoren sind (elektronische) Bauelemente zur qualitativen oder quantitativen Detektion einer physikalischen Größe so z.b. Wärmestrahlung Temperatur Feuchtigkeit Druck Kraft Beschleunigung Magnetismus Aktoren oder auch Aktuatoren (engl. Actuator) wandeln eine physikalische Eingangsgröße z.b. eine elektrische Spannung in eine andere Ausgangsgröße z.b. mechanisches Signal um. Konventionelle Aktoren: Hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch etc. Neuere Aktoren: Magnetostriktiv, Piezo, Shape Memory, elektrostriktiv, rheologisch etc.

14 Sensoren und Aktoren Arten von Sensoren Induktive Sensoren z.b. Metalldetektoren Kapazitive Sensoren z.b. Flüssigkeitsstandmessung Photoelektrische Sensoren zur Helligkeitsmessung mittels Photowiderständen Piezoelektrische Sensoren zur Druckmessung Temperatursensoren zur Heizungssteuerung Magnetsensoren für Schalter Ultraschallsensoren zur Enfernungsmessung (Park-Distance-Control) CCD-Sensoren für Digitalkameras Chemische Sensoren zur Säuregehaltsbestimmung

15 Sensoren und Aktoren Sensorbeispiele Photowiderstände Ultraschallsensor CCD-Sensor Temperatursensoren Drucksensor Durchflusssensor Beschleunigungssensor

16 Sensoren und Aktoren Sensoren in der Fahrzeugtechnik [Quelle: Sprick, N., Uni Mainz]

17 Grundprinzip: Sensoren und Aktoren Beispiel I Wie funktioniert ein Touchscreen? Analoge Systeme bestehen aus 2 gegenüberliegenden leitfähigen ITO (Indium Tin Oxide) Schichten. Indiumzinnoxid ist ein transparentes und halbleitendes Material. Beide Schichten werden mit einer konstanten Gleichspannung U versorgt. Sogenannte Spacer Dots sorgen für nötigen Abstand. Bei Berührung an einer bestimmten Stelle, berühren sich dort die beiden ITO-Schichten, wodurch ein elektrischer Kontakt entsteht. Durch den Kontaktwiderstand entsteht an jeder Stelle eine unterschiedliche Spannung. Die Spannungsänderung kann zur Koordinatenbestimmung verwendet werden. Neue Konzepte wie die Dispersive Signal Technology messen die Vibration über Sensoren, die in der Ecke eines Touchscreens angebracht sind. Auch ruhende Gegenstände spielen somit keine Rolle mehr.

18 Sensoren und Aktoren Beispiel I Die Physik dahinter Ausgangspunkt: 2 leitfähige Schichten, die sich am Druckpunkt berühren. In der oberen und unteren Schicht liegt ein Spannungsteiler vor. Das Verhältnis von R 1 zu R 2 gibt die Position des Druckpunktes in x- Richtung an. Um das Teilerverhältnis zu bestimmen, legt man an U x1 und U x2 jeweils eine bekannte Spannung an. Über R 1 und R 2 fließt damit ein Strom. An U y3 und U y4 kann diese Spannung dann hochohmig abgegriffen werden (Warum hochohmig?). U Y 3 = U Y 4 = U X 2 ( U + R X 1 1 U + R X 2 2 ) R 2 Beispiel eines analog resistiven Touchscreens

19 Was ist das? Sensoren und Aktoren Beispiel II Die Lambda-Sonde Die Lambda-Sonde (Bosch 1976) ist ein Messgerät zur Bestimmung des Verhältnisses von Luft zu Kraftstoff während der Verbrennung. Die Messung basiert auf dem Restsauerstoffgehalt im Abgas. Aufbau: Aufbau als Fingersonden. Form eines Hütchens mit Abgas außen und Referenzluft im Inneren. Sensoren werden in Planartechnik aus mehreren Schichten aufgebaut. Keramikelement wird von einem metallischen Schutzrohr umgeben. Für den Gaszutritt sorgen kleine Bohrungen. Messprinzipien: a) Spannung Festkörperelektrolyt (Nernstsonde) b) Widerstandsänderung einer Keramik (Widerstandssonde) Verwendung in Motoren: Die Sonde wird in Ottomotoren in der Regel in den Abgaskrümmer oder das Sammelrohr direkt dahinter eingeschraubt.

20 Sensoren und Aktoren Beispiel II Funktionsweise Nernst-Sonde Eine Seite des Sensors ist dem Abgasstrom ausgesetzt, während die andere Seite an einer Sauerstoffreferenz liegt. Ab einer Temperatur von ca. 300 C wird die eingesetzte Yttrium-dotierte ZrO 2 (Warum Yttrium dotiert?) Keramik leitend für negative Sauerstoffionen. Ionendiffusion zum Abgas! Die 2-fach negativ geladenen Sauerstoffionen können bei der gegebenen Temperatur durch die Keramik hindurchtreten. Ionisation durch Elektronen von Elektroden. Zwischen den Pt-Elektroden lässt sich die Sondenspannung abgreifen. Ein Steuergerät regelt damit das Luft/Kraftstoffverhältnis.

21 Sensoren und Aktoren Beispiel II Die Lambda-Sonde

22 Sensoren und Aktoren Beispiel III Der Bewegungsmelder Bewegungsmelder kann prinzipiell mit elektromagnetischen Wellen, Ultraschall oder Infrarotstrahlung arbeiten. Am häufigsten kommt der Passive-Infrarot-Sensor vor. Grundlage ist das pyroelektrische Verhalten der Empfängerfläche. Körperwärme von Menschen und Tieren wird damit detektiert. Linsen bündeln die Infrarotstrahlung vor dem Sensorelement, welches einen segmentierten Erfassungsbereich hat. Erfolgt eine Bewegung quer! zu den Segmenten ändert sich die Temperatur innerhalb einiger Segmente geringfügig, so dass zu den Nachbarsegmenten ein ΔT entsteht. Dies führt zu einer elektrischen Spannung! Für die erzielbare Polarisation P ij gilt: P ij = p ΔT p: pyroelektrische Konstante Erfassungsbereich eines passiven Infrarot-Sensors [Quelle: Wikipedia]

23 Sensoren und Aktoren Beispiel IV Piezodrucker [Quelle: Epson Solutions]

24 Sensoren und Aktoren Vergleich verschiedener Aktorsysteme