5 Werkstofftechnik
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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.
At high temperatures and in harsh environments ceramic springs are often superior to metallic ones and allow for innovative solutions. A further application was proposed by using ceramic springs as capacitive force sensor. Lower and upper coil surfaces are coated by electrically conducting layers. Deformation of such spring results in a change of capacity. Sensor application calls for helical springs with rectangular cross-section, a linear stress-strain characteristic over entire deformation range and low manufacturing tolerances relating to inner and outer diameter, coil cross section and spring pitch. Furthermore, complex spring design with integrated connecting elements has to be realized.
Alumina, zirconia (Y-TZP) and silicon nitride springs were produced by hard machining starting from sintered hollow cylinders. After external and internal cylindrical grinding the hollow cylinders were filled with hard wax, followed by multi-stage cutting of spring coils with custom-made cutting discs. Finally, hard wax was removed by melting and burnout. Best surface and edge qualities of springs were reached using Y-TZP material and hot isostatic pressed alumina. Y-TZP springs produced with material-specifically selected cutting discs and optimized process parameters show sharp coil edges without spallings and mean roughness values of inner surfaces < 0.2 μm. Manufacturing tolerances of spring diameters, spring pitch, height and width of coil cross section are in the range of ± 10 microns. Good reproducibility of spring geometry by optimized hard machining technology allows for production of Y-TZP springs with spring constants differing less than ± 1 % within a series.
According to DIN 2090 spring constant for rectangular coil cross section is proportional to the square of height and width of coil cross section and indirectly proportional to number of active coils and to the cube of the mean spring diameter. Hence, spring constants can be tailored over a range of many orders of magnitude by changing the spring dimensions. Good agreement was reached between calculated target spring constants and measured values on produced springs.
Alumina and zirconia springs were characterized relating to deformation behavior under dynamic compression load with various deformation speeds and under static tensile loads over long periods of time. Contrary to alumina springs, a non-linear stress-strain behavior of TZP springs was proved in both test series. It is supposed, that pseudoelasticity caused by stress-induced transformation of tetragonal to monoclinic phase is responsible for this special feature of TZP springs. Therefore, TZP material cannot be used for capacitive spring sensors.
Calcium cobaltite (Ca3Co4O9) is considered as one of the most promising thermoelectric p-type oxides for energy harvesting applications at temperatures above 500 °C. It is challenging to sinter this material as its stability is limited to 920 °C. To facilitate a practicable and scalable production of Ca3Co4O9 for multilayer generators, a systematic study of the influence of powder calcination, Bi-doping, reaction sintering, and pressure-assisted sintering (PAS) on microstructure and thermoelectric properties is presented. Batches of doped, undoped, calcined, and not calcined powders were prepared, tape-cast, and sintered with and without uniaxial pressure at 900 °C. The resulting phase compositions, microstructures and thermoelectric properties were analysed. It is shown that the beneficial effect of Bi-doping observed on pressureless sintered samples cannot be transferred to PAS. Liquid phase formation induces distortions and abnormal grain growth. Although the Seebeck coefficient is increased to 139 µV/K by Bi-doping, the power factor is low due to poor electrical conductivity. The best results were achieved by PAS of calcined powder. The dense and textured microstructure exhibits a high power factor of 326 µW/mK² at 800 °C but adversely high thermal conductivity in the relevant direction. The figure of merit is higher than 0.08 at 700 °C.
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.
Die Strukturierung keramischer Grünfolien und Laminate ist ein wesentlicher Prozessschritt in der keramischen Multilayer-Technologie und begründet die funktionelle Vielfalt keramischer Multilayer. Benötigt wird die Grünbearbeitung für die Herstellung elektrischer und thermischer Vias sowie innerer Kavitäten und Kanäle für Transport und Lagerung von Gasen und Flüssigkeiten in hochintegrierten Schaltungsträgern, Sensoren und Reaktoren. Standardverfahren in der industriellen Fertigung sind Heißschneiden, Stanzen und Laserbearbeitung. Darüber hinaus werden auch Bohren, Fräsen, Sägen und Heißprägen verwendet. Über die Erprobung weiterer Verfahren wie Wasserstrahlschneiden, Dampfstrahlätzen und Powder Blasting wird in der Literatur berichtet.
Im Vortrag werden spezifische Vor- und Nachteile der eingesetzten Verfahren beleuchtet. Abschließend werden die Kriterien für die Auswahl des optimalen Strukturierungsverfahrens diskutiert. Zusammensetzung und Gefüge sowie die dadurch bedingten mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften sowie das Absorptionsverhalten von Grünfolien sind sehr unterschiedlich. Daraus resultieren unterschiedliche optimale Bearbeitbarkeitsparameter.