Teilprojekt A1

Fertigungstechnologien für integrierbare piezoelektrische Fasern und Laminate

Leiter/in:

Prof. Dr. rer. nat. habil. Alexander Michaelis
Technische Universität Dresden
Fakultät für Maschinenwesen
Institut für Werkstoffwissenschaften
Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe
01062 Dresden

E-Mail: alexander.michaelis@ikts.fraunhofer.de


Dr.-Ing. Sylvia Gebhardt
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Abteilung Intelligente Materialien und Systeme
Winterbergstraße 28
01277 Dresden

Telephon: 0351 2553-7694
Telefax: 0351 2554-160
E-Mail: sylvia.gebhardt@ikts.fraunhofer.de
 

Wissenschaftliche Zielstellung

•    Entwicklung und Herstellung von integrationsfähigen Modulen (Piezofaser-Komposite bzw. LTCC/PZT Module) auf Basis von piezokeramischer Fasern und Platten
•    Konfektionierung der Module in Bezug auf Geometrie, Anordnung der piezokeramischen Komponenten und Kontaktierung für eine serienfähige, form- und stoffschlüssige Integration in Leichtbaustrukturen
•    Charakterisierung und Interpretation der effektiven Materialdaten
 

			Einzelkomponente
			Modul
			Bauteil

Forschungsprogramm

Piezokeramische Fasern

1.    Serientaugliche Herstellung von piezokeramischen Fasern
2.    Methodenentwicklung zur Einzelfasercharakterisierung
3.    Serientaugliche Herstellung von Piezofaser-Kompositen
4.    Charakterisierung und Optimierung der Faser-Matrix-Grenzschicht
5.    Anpassung des Kompositdesigns an Anforderungen und Schadensmechanismen der Prozessketten
6.    Anpassung der Faserdurchmesser und –anordnung

	Piezokeramik- Faser		AP 1+2
	Piezofaser- Komposit		AP 3+4
	Piezofaser- Komposit- Scheibe		AP 5
	Piezofaser- Komposit- Sprosse		AP 6

     
Piezokeramische Laminate

1.    Herstellung und Charakterisierung von LTCC/PZT Modulen
2.    Untersuchungen zum Einfluss mechanischer Spannungen auf die Eigenschaften von Piezolaminaten
3.    Aufklärung und Optimierung der für den Krafttransfer relevanten Grenzflächeneigenschaften
4.    Integration weiterer Funktionskomponenten zur Prozesskontrolle
5.    Betriebsverhalten der LTCC/PZT Module
 

	LTCC/PZT-Modul	AP 1
	Integration/Grenzschichten	AP 2+3
	Erweiterte Funktionalität	AP 4
	Betriebsverhalten	AP 5

Methoden

Piezokeramische Fasern

•    Faserentwicklung: Optimierung Schlickerrezeptur, Ermittlung Spinnparameter
•    Charakterisierung: Mikro-Zug-, -Biege-, -Druck- Verfahren, Grauwertkorrelation (Bild 1)
•    Kompositentwicklung: definierte Faseranordnung, Auswahl des Matrixmaterials
•    Faser-Matrix-Haftung: Single-Fiber-Fragmentation-Test (Bild 2); Leibnitz-Institut für Polymerforschung Dresden

Bild 1	Bild 2                                "Quelle: IPF Dresden"

   
Piezokeramische Laminate

•    Laminatentwicklung: Optimierung der Aufbau- und Verbindungstechnik für LTCC/PZT Module
•    Struktur- und Gefügeanalyse: Licht-, Elektronenstrahl-, Ultraschall-Mikroskopie, Röntgenanalyse (Bild 3) 
•    Elektromechanische Charakterisierung:  Impedanz-, Hysterese-, Laser- und Kraftmesstechnik (Bild 4)
•    Betriebsverhalten: Elektrische Zyklierung
 

Bild 3	Bild 4

Ergebnisse des 1. Antragszeitraumes

Piezokeramische Fasern

•    Erfolgreiche Herstellung von piezokeramischen Fasern mittels Polysulfon-Verfahren (Bilder 5 und 6):
      -    Freie Wahl des piezokeramischen Pulvers
      -    Porosität 3%
      -    Einstellung des Faserdurchmessers im Bereich 200-1000 µm (Bild 5)
•    Weiterverarbeitung der Fasern zu Faserkompositen mit statistischer Faseranordnung und Charakterisierung der effektiven Materialdaten (Bild 6)
•    Charakterisierung der mechanischen und elektromechanischen  Eigenschaften der Fasern sowie Vergleich mit Stand der Technik (Bild 7)

Bild 5	Bild 6	Bild 7

  
Piezokeramische Laminate

•    Entwicklung und Herstellung neuartiger vollkeramischer LTCC/PZT Module über Mehrlagentechnik (Bild 8) mit den Vorteilen:
      -    mechanische Stabilisierung und elektrische Kontaktierung der Piezokeramik
      -    elektrische Isolation gegenüber Metallmatrix kraftschlüssige Integration in Aluminium-Bleche
•    Demonstration der aktorischen Funktion durch Auslenkungsmessung erfolgreich nachgewiesen (Bild 9)
•    Integration in Al-Bauteile über Druckguss: Weiterkontaktierung mittels Laserlöten muss noch gelöst werden (Bild 10)
 

Bild 8	Bild 9	Bild 10