5 Werkstofftechnik
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Eingeladener Vortrag
- nein (26)
Thermoelektrische Materialien können durch die Nutzung des Seebeckeffektes einen Temperaturunterschied direkt in eine Spannung umwandeln. Calciumcobaltit (p-typ) und Calciummanagant (n-typ) sind 2 der vielversprechendsten oxidischen thermoelektrischen Materialien. Für die Entwicklung von kostengünstigen Multilayergeneratoren ist das Co-sintern dieser beiden Materialien notwendig und deshalb eine Anpassung der Sintertemperatur nötig. Calciummangant wird herkömmlicherweise zwischen 1200°C und 1350°C gesintert. Calciumcobaltit erfährt einen ungewünschte Phasenumwandlung bei 926°C, es kann allerding bei 900°C unter 7.5MPa zu 95% dicht gesintert werden. Demzufolge, ist eine Co-sintertemperatur von 900°C anzustreben. Aus diesem Grund wurden mehrere Strategien zur Absenkung der Sintertemperatur von Calciummanaganat untersucht. Zum einen die Zugabe niedrigschmelzender Additive, zum anderen die Zugabe von Additiven, die eine eutektische Schmelze bilden. Es konnte gezeigt werden, dass für Calciummanganat die Verwendung von eutektischen Schmelzen besser geeignet ist als die Verwendung von niedrigschmelzenden Additiven um die Sintertemperatur zu senken.“
Im Vortrag werden das Messprinzip des Zentrifugen-Sedimentationsverfahrens erläutert und die Anforderungen der zugrundeliegenden Normen diskutiert. Es schließen sich umfangreiche Ausführungen zur praktischen Durchführung der Messung, insbesondere auch zu den vorbereitenden Arbeiten, sowie zur Auswertung der Rohdaten an. Nach einem Vergleich der Ergebnisse mit anderen Messverfahren, wird das Verfahren in einer Zusammenfassung bewertet.
Sintern
(2018)
Unter Sintern versteht man allgemein die Überführung eines aus Pulver geformten Rohlings in ein Formteil mit angestrebter Mikrostruktur bzw. gewünschten Gebrauchseigenschaften durch thermische Prozesse. In diesem Kapitel werden die Grundlagen zu Triebkräften und Kinetik sowie die prinzipiellen Mechanismen für Stofftransport und Verdichtung vorgestellt. Die verschiedenen Sintermechanismen Festphasensintern, Flüssigphasensintern und Reaktionssintern werden erläutert und mit einem Überblick über Drucksinterverfahren ergänzt. Abschließend wird ein Überblick über technologische Einflussfaktoren auf die Sinterung gegeben.
Calciumcobaltit und Calciummanganat gehören zu den vielversprechendsten thermoelektrischen Oxiden im Temperaturbereich zwischen 600 °C und 800 °C an Luft. Mittels thermoelektrischer Generatoren kann ein Temperaturgradient direkt in elektrische Leistung umgewandelt werden. Für die kostengünstige Pulverherstellung von Funktionsmaterialien wird im industriellen Maßstab meist die Festphasenreaktion (bzw. Kalzinierung) verwendet. Da es sich dabei um einen Hochtemperaturprozess handelt, ist diese Kalzinierung sehr energieintensiv. In der Literatur werden sehr unterschiedliche Prozessbedingungen zur Pulversynthese thermoelektrischer Oxide genutzt. Soweit dem Autor bekannt, ist keine systematische Untersuchung des Einflusses der Pulversynthesebedingungen auf die thermoelektrischen Eigenschaften publiziert.
Deshalb wurde eine systematische Untersuchung des Einflusses der Pulversynthesebedingungen (Temperatur, Haltezeit, Partikelgröße, Wiederholungen) auf die thermoelektrischen Eigenschaften von Calciumcobaltit und Calciummanganat durchgeführt.
Es konnte gezeigt werden, dass sich ein höherer Energieeintrag während der Kalzinierung negativ auf die thermoelektrischen Eigenschaften auswirkt.
Der Vortrag zeigt zwei Möglichkeiten zur Verbesserung der VSSA-Screening-Methode zur Identifizierung von Nanopulvern auf. Bisher ist das Verfahren nur für monodisperse Partikel mit idealer Kugelform valide. Die Verteilungsbreite der Partikelgröße soll durch die Nutzung des Modells einer logarithmischen Normalverteilung implementiert werden. Die Abweichung der gemessenen Partikel von einer idealen Kugel in Sphärizität, Rundheit und Rauigkeit sind über einen Morphologiefaktor MF zu berücksichtigen. An einem konkreten Beispiel werden Auswirkungen der Implementierungen rechnerisch dargestellt und mit dem bisherigen Verfahren verglichen.
Entwickelt wurde eine mehrstufige Fertigungstechnologie (Schruppen, Schlichten, Trennschnitt) zur Herstellung keramischer Federn aus gesinterten Hohlzylindern. Durch Optimierung von Maschinenparametern, Schleifscheiben sowie Werkstück- und Werkzeugaufnahmen ist es gelungen, Federn aus Hochleistungskeramik (Aluminiumoxid und Zirkonoxid) mit hoher Kanten- und Oberflächenqualität reproduzierbar herzustellen. Eine hohe Variabilität bezüglich Außen- und Innendurchmesser, Steigung, Windungsquerschnitt und Abstand zwischen den Windungen ermöglicht es, die Federkonstante über drei Größenordnungen zu variieren.
Untersucht wurden Federstabilität und Spannungs-Dehnungs-Verhalten unter konstanter und zyklischer Druckbelastung sowie die thermomechanische Stabilität der Keramikfedern. Aluminiumoxid-Federn können bis etwa 800°C, Zirkonoxid-Federn bis etwa 600°C ohne bleibende geometrische Verformung eingesetzt werden.
Unter konstanter Spannung zeigen Federn aus Y-stabilisiertem TZP (Zirkonoxid)-Werkstoffen, von anderen Keramikwerkstoffen abweichend, bei Raumtemperatur eine zeitabhängige, elastische, Verformung (Superelastizität), die nach Entlastung über einen Zeitraum von mehreren Stunden reversibel verläuft. Als Ursache wird eine spannungsinduzierte reversible Phasenumwandlung zwischen austenitischer (tetragonales ZrO2) und martensitischer (monoklines ZrO2) Phase postuliert.
Diskutiert wird das Anwendungspotenzial der entwickelten Federn für kapazitive keramische Federsensoren für Gravimeter und Wägetechnik.
Im Vortrag werden das Messprinzip des Zentrifugen-Sedimentationsverfahrens erläutert und die Anforderungen der zugrundeliegenden Normen diskutiert. Es schließen sich umfangreiche Ausführungen zur praktischen Durchführung der Messung, insbesondere auch zu den vorbereitenden Arbeiten, sowie zur Auswertung der Rohdaten an. Nach einem Vergleich der Ergebnisse mit anderen Messverfahren, wird das Verfahren in einer Zusammenfassung bewertet.
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.