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Lightweighting as a cross-cutting technology contributes significantly to achieve the European Green Deal goals. Based on, but not limited to, advanced materials and production technologies, the demand for natural resources and CO2 emmissions are reduced by lightweighting during production, as well as use phase. Therefore, lightweighting is a crucial transformation technology assisting in decoupling economic growth from resource consumption. In this manner, lightweighting contributes significantly as a key technology of relevance for many industrial sectors such as energy, mobility, and infrastructure, towards resource efficiency, climate action and economic strength, as well as a resilient Europe. To strengthen international partnerships, addressing global issues of today at the edge of science with high performance lightweight material based on carbon fibers, an overview about the BAM expertise in carbon fiber reinforced materials is given.
With this presentation, the push-out technique is explained. The focus of the experimental work is on the characterization of the fiber-matrix interface of short fiber reinforced composites. The reinforcing component was glass fibers and the matrix polymer was PA6.6 and PPA.
It is demonstrated for the first time that the push-out technique ca be applied on injection molded short fiber PMC and is sensitive to the mechanical interface properties. Further studies are planned on the influence of multiple processing, the temperature and humidity.
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.
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.
Aufgrund ihres spezifischen Eigenschaftsprofils sind keramische Federn attraktiv für Spezialanwendungen in Maschinenanlagen, Metrologie und Sensortechnik. Durch Hartbearbeitung keramischer Hohlzylinder können Spiralfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt präzise gefertigt werden. Dabei kann durch gezielte Auslegung der Federgeometrie die Federkonstante über mehrere Größenordnungen variiert werden. Der Vortrag gibt einen Überblick über den Herstellungsprozess, verschiedene Eigenschaften keramischer Federn und Anwendungsbeispiele.
Effects of various geometrical and physical factors, as well as the method of data reduction (analysis of
experimental forceedisplacement curves) on the values of local interfacial strength parameters (local IFSS, td, and critical energy release rate, Gic) determined by means of a single fiber pull-out test are discussed. Experimental results of our pull-out tests on several fiberepolymer matrix systems showed that td and Gic weakly depended on geometrical factors. However, the pull-out test appeared to be sensitive to the conditions of specimen formation and testing, such as changing the nature of the contacting surfaces (fiber sizing) and the fiber pull-out rate. Of several methods of td and Gic Determination from a forceedisplacement curve, the most reliable and reproducible one is the approach based on the values of the maximum force recorded in a pull-out test and the interfacial frictional force immediately after fiber debonding.
This presentation is a summary of the work from the past 20 years’ development of PMC-testing at the BAM-FB 5.3 with respect to safety-relevant design of advanced light weight structures in aircraft, wind turbine and automotive applications. The talk begins with wood as an example from nature, and emphasizes that load case, fiber architectural design and the production process and quality have to go hand in hand to generate an advanced light weight structure. Since PMC-relevant basic findings of mankind span across hundreds of years, high-performance composite applications today are based more on long term experiences than on breakthrough inventions of modern days.
In the second part of the talk, future plans and projects of FB-5.3 are presented, specifically addressing H2-safety, circular economy, recycling by design and digitalization of PMC-technologies.
Tooth wear induced by abrasive particles is a key process affecting dental function and life expectancy in mammals. Abrasive particles may be plant endogenous opal phytoliths, exogene wind-blown quartz dust or rain borne mineral particles ingested by mammals. Nano-indentation hardness of abrasive particles and dental tissues is a significant yet not fully established parameter of this tribological system. We provide consistent nano-indentation hardness data for some of the major antagonists in the dental tribosystem (tooth enamel, tooth dentine and opaline phytoliths from silica controlled cultivation). All indentation data were gathered from native tissues under stable and controlled conditions and thus maximize comparability to natural systems. Here we show that native (hydrated) wild boar enamel exceeds any hardness measures known for dry herbivore tooth enamel by at least 3 GPa. The native tooth enamel is not necessarily softer then environmental quartz grit, although there is little overlap. The native hardness of the tooth enamel exceeds that of any silica phytolith hardness recently published. Further, we find that native reed phytoliths equal native suine dentine in hardness, but does not exceed native suine enamel. We also find that native suine enamel is significantly harder than dry enamel and dry phytoliths are harder than native phytoliths. Our data challenge the claim that the culprit of tooth wear may be the food we chew, but suggest instead that wear may relates more to exogenous than endogenous abrasives.
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 Werkstoffgruppe der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften unter anderem im Sportgerätebau, in der Luft- und Raumfahrt und in der Windenergieindustrie etabliert. Die so hergestellten Strukturen sind in der Regel nicht nur mechanischen Belastungen, sondern auch thermischen Lasten in einem breiten Temperaturspektrum ausgesetzt. Dennoch ist die Auswirkung des Temperatureinflusses bei einer Kombination von thermischer und mechanischer Last auf die Lebensdauer von Strukturen aus FKV bisher nur wenig untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von Temperaturen zwischen 213 K und 343 K auf einen Glasfaser-Epoxidharz-Verbund experimentell untersucht. Das Material wird in diesem Temperaturbereich eingehend charakterisiert: Es werden sowohl die thermomechanischen Eigenschaften von Faser- und Matrixwerkstoff als auch die des Verbundes ermittelt. In einem weiteren Schritt wird dann der Einfluss der Temperatur auf die Schädigungsentwicklung im quasi-statischen Lastfall sowie unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung bei verschiedenen FKV-Mehrschichtverbunden analysiert.
Basierend auf den experimentellen Daten wird ein Zusammenhang zwischen der Schädigung und der Anstrengung der Matrix innerhalb der Einzelschicht demonstriert. Die Matrixanstrengung wird mithilfe eines mikromechanischen Modells unter Berücksichtigung der thermomechanischen Eigenspannungen analytisch berechnet. Bei Querzugbeanspruchung kann gezeigt werden, dass eine Vorhersage der Schädigung in Abhängigkeit der Volumenänderungsenergie innerhalb der Matrix getroffen werden kann.
Mithilfe des Konzepts der Matrixanstrengung ist eine Vorhersage der Lebensdauer des Werkstoffs unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung in Abhängigkeit der Einsatztemperatur möglich.