TY - CONF A1 - Rabe, Torsten A1 - Schulz, Bärbel A1 - Paulick, C. A1 - Kalinka, Gerhard T1 - Helical zirconia (TZP) springs manufacturing and testing under mechanical and thermal load N2 - Helical springs with a rectangular cross-section have been machined from sintered and grinded hollow cylinders with high geometrical precision and good reproducibility. Such springs made from tetragonal zirconia polycrystal (TZP) ceramic show excellent edge quality because of high fracture toughness and bending strength of the starting material. Hence, springs with desired geometric dimension and tailored spring constant can be manufactured for highly demanding applications at high temperatures and in harsh environments. Prior to any practical use, application limits of springs under mechanical and thermal load have to be analyzed. Therefore, different displacement experiments were carried out on the helical TZP springs. - Dynamic displacement tests at various temperatures from -15°C to +60°C using a piezo actor to load/unload springs with frequencies between 1 and 40 Hz: Springs remained undamaged and the spring constants were not altered, even after more than one million cycles of compression loading. - Long-time displacement measurements under static tensile loading at room temperature with a high-precision interferometer test facility: Significant spring elongation under constant strain was surprisingly proved over a period of many hours already at room temperature. - Creeping experiments for 48 h under static compression load at different temperatures up to 1000 °C: After cooling down and load removing no permanent length reduction of springs was observed for test temperatures up to 700 °C. However, reshaping of TZP springs by plastic deformation is possible at higher temperatures and opens up additional possibilities for spring design and manufacturing. T2 - German Ceramic Society, Annual Meeting 2018 CY - München, Germany DA - 09.04.2018 KW - Ceramic springs KW - Manufacturing KW - Mechanical and thermal testing PY - 2018 AN - OPUS4-44728 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rabe, Torsten A1 - Schulz, Bärbel A1 - Kalinka, Gerhard T1 - Deformation behavior of alumina and zirconia springs at room temperature N2 - At high temperatures and in harsh environments ceramic springs are often superior to metallic springs and allow for innovative solutions. A recently proposed application involves ceramic springs with metallized surfaces as capacitive force sensor. A strictly linear stress-strain characteristic of the spring is a precondition for such a sensor. Helical ceramic springs with rectangular cross-section have been produced from sintered hollow cylinders. Alumina, ATZ, Y-TZP, and Ce-TZP springs with identical dimensions were characterized and compared regarding deformation behavior. Spring deformation was investigated under various load scenarios. Dynamic compression was performed with deformation speeds from 0.3 to 30 mm/min. Spring constants of alumina springs are strain rate independent. By contrast, Y-TZP spring constant increases by approximately 3 % within the experimental framework. A high-precision test facility was developed to characterize spring displacement in nm range under static tensile load over long periods of time. Spring elongation with asymptotic course was observed for zirconia containing materials at room temperature. This effect is particularly strong in the case of Y-TZP. Up to 0.3 % time-dependent elongation was measured after 24 h under constant load. Deformation is completely reversible after unloading. Alumina springs do not show any time-dependent deformation under identical test conditions. Contrary to alumina springs, a non-linear stress-strain behavior of TZP springs at room temperature was proved in both test series. It is supposed, that pseudo-elasticity caused by stress-induced phase transformation from tetragonal to monoclinic is responsible for this special behavior of TZP springs. T2 - D-A-CH Keramiktagung CY - Leoben, Austria DA - 06.05.2019 KW - Phase transformation KW - Ceramic spring KW - Force-distance diagram KW - Deformation behavior PY - 2019 AN - OPUS4-48026 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Rabe, Torsten A1 - Schulz, Bärbel A1 - Salehi, M. T1 - Alterungsbeständige keramische Federsensoren durch nanostrukturierte Werkstoffe, Präzisionsbearbeitung und hochdielektrische Nanosuspensionen T2 - TIB- Forschungsberichts-Bibliothek N2 - Das Ziel des Gesamtvorhabens bestand darin, einen neuartigen kapazitiven Sensortyp zur hochauflösenden Bestimmung von Masse- und Gravitationskraftänderungen zu entwickeln. Bisherige Technologien nutzten dafür Federn oder Biegebalken aus gehärteten metallischen Werkstoffen, deren Alterungsverhalten die Präzision der Kräftemessung begrenzen. Grundprinzip des neuen Sensortyps ist es, eine auf die keramische Feder einwirkenden Änderung der Gewichts- oder Gravitationskraft durch eine Erfassung der Kapazitätsänderung am Sensor zu bestimmen. Dazu muss die durch Stauchung oder Dehnung der Feder entstehende Kapazitätsänderung mit hoher Auflösung reproduzierbar gemessen werden. Neben einem geeigneten Sensordesign waren Lösungen für Messsignalerfassung und -auswertung (Elektronik/Software) und die Systemintegration zu entwickeln. Die wichtigsten im Rahmen des BAM-Teilvorhabens erzielten Ergebnisse sind: - Ausgehend von kommerziellen High-end Keramikpulvern wurden durch Optimierung der keramischen Technologie nahezu porenfreie Al2O3, ZrO2 und Si3N4-Werkstoffe hergestellt und bezüglich Gefüge und Phasenbestand sowie mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bewertet. Insbesondere die defektfreie Herstellung von nanostrukturierten Werkstoffen erforderte umfangreiche Variationen der Prozessparameter. Geeignete Werkstoffvarianten wurden für die Federherstellung ausgewählt. - Gemeinsam mit den Projektpartnern wurden Layoutvarianten für Schraubendruckfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt und für die Federeinbindung in das Sensorsystem erarbeitet. - 4 Federvarianten wurden an der BAM durch Hartbearbeitung von gesinterten Hohlzylindern umgesetzt. Fertigungstoleranzen von < ±10 µm für Windungsbreite, Windungshöhe und Windungsabstand und dünnfilm-kompatible innere Windungsflächen (Ra < 0,2 µm) wurden erreicht. Al2O3- und ZrO2-Federn können rissfrei und mit sehr guter Kantenqualität gefertigt werden, bei Si3N4-Federn konnten Kantenschädigungen nicht vollständig verhindert werden. - Mit der entwickelten Herstellungstechnologie können sowohl „harte“ als auch sehr „weiche“ Federn produziert werden. Federkonstanten zwischen 0,02 N/mm und 10 N/mm wurden realisiert. Die Reproduzierbarkeit der Federfertigung ist gegeben, innerhalb einer Charge unterschieden sich die Federkonstanten der gefertigten Federn nur um etwa +/- 1%. - An einem speziell entwickelten Versuchsstand wurden die Federn unter zyklischer Druckbelastung im Temperaturbereich von -20 bis +80 °C untersucht. An den Al2O3- und ZrO2-Federn wurden keine Schädigungen beobachtet, die Federkonstante wird durch die zyklische Langzeitbelastung nicht verändert. - Die Eignung der keramischen Federn für den Applikationsfall wurde mit zahlreichen Spannungs-Dehnungs-Experimenten, teilweise an speziell aufgebauten Versuchsapparaturen, untersucht. An Al2O3- und Si3N4-Federn wurde – wie erwartet – gefunden, dass die Federkonstante unabhängig von der Belastungsgeschwindigkeit ist und unter konstanter Last auch über lange Zeiträume keine Verformung auftritt. Überraschenderweise zeigten ZrO2 (TZP)-Federn ein zeitabhängiges Verhalten unter Last. Dieses ist besonders stark bei Y-stabilisierten Werkstoffvarianten ausgebildet, wurde aber mit Hochpräzisionsmessungen auch bei Ce-stabilsierten Werkstoffen nachgewiesen. Die Deformation ist reversibel, eine vollständige Relaxation wird erst nach Tagen erreicht. Aufgrund der zeitabhängigen Verformung können ZrO2 (TZP)-Federn, trotz ihrer hervorragenden Festigkeit und Bruchzähigkeit, nicht für die konzipierten Sensorfedern eingesetzt werden. - Das durch die Fa. Siegert TFT entwickelte Metallisierungs-Schichtsystem, bestehend aus aufgesputterten Ti-, Pt- und Au-Schichten verstärkt durch eine galvanisch aufgebrachte Au-Schicht, wurde an der BAM umfassend bewertet. Die Schichten sind untereinander und mit der Keramik weitgehend defektfrei verbunden, die lokale Schichtdicke schwankt jedoch bedingt durch Abschattungseffekte während der Beschichtungsvorgang. Es wurden Schichtwiderstände zwischen 50 und 90 Ohm und damit die Zielvorgabe des Projektes (< 100 Ohm) erreicht. In statischen und dynamischen Belastungstests wurden keine Veränderungen der Leitungswiderstände festgestellt. - Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators kann der Raum zwischen den Federwindungen statt mit Luft mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt werden. Als geeignete Flüssigkeit wurde Propylencarbonat mit einer Dielektrizitätskonstante von 65, einem hohen Siedepunkt und einer geringen Viskosität identifiziert. Um eine noch höhere Dielektrizitätskonstante zwischen den Federwindungen zu erreichen. wurden Suspensionen aus Silikonöl und nanokristallinem Bariumtitanat hergestellt und bezüglich ihrer Langzeitstabiltät charakterisiert. - Gemäß den Anforderungen des Projektpartners KOMPASS wurden maßgeschneiderte Al2O3-Federn mit einer Federkonstante < 0,1 N/mm hergestellt und für den Aufbau des finalen Demonstrator eingesetzt. Die prinzipielle Funktionsfähigkeit des neuen Sensorkonzeptes auf Basis keramischer Federn wurde mit dem im Projekt aufgebauten Demonstrator nachgewiesen. Die Umsetzung der F+E-ergebnisse in eine industrielle Nutzung zur Herstellung von Gravimetern wird vom Projektpartner KOMPASS angestrebt und ist bereits mit detaillierten Zeitplänen untersetzt. KW - Langzeitstabilität KW - Sensorik KW - Keramikfeder KW - Spannungs-Dehnungs-Verhalten PY - 2019 UR - https://www.gbv.de/dms/tib-ub-hannover/1681417375.pdf UR - https://www.tib.eu/de/suchen/id/TIBKAT%3A1681417375/Alterungsbest%C3%A4ndige-keramische-Federsensoren-durch/ SP - 1 EP - 64 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung CY - Berlin AN - OPUS4-50742 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -