DE102013219550A1

DE102013219550A1 - Piezokeramische Fasern und diese enthaltender Verbundwerkstoff sowie Ultraschallwandler auf Basis dieses Verbundwerkstoffs

Info

Publication number: DE102013219550A1
Application number: DE201310219550
Authority: DE
Inventors: Ralf Steinhausen; Katharina Franke
Original assignee: SCHWEISSTECHNISCHE LEHR und VERSUCHSANSTALT HALLE GmbH; SCHWEIßTECHNISCHE LEHR- und VERSUCHSANSTALT HALLE GmbH
Current assignee: SCHWEISSTECHNISCHE LEHR und VERSUCHSANSTALT HALLE GmbH; SCHWEIßTECHNISCHE LEHR- und VERSUCHSANSTALT HALLE GmbH
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft piezokeramische Fasern, einen piezoelektrischen Verbundwerkstoff, der diese Fasern enthält, sowie einen Ultraschallwandler, der auf Basis des Verbundwerkstoffs hergestellt wird. Die piezokeramische Fasern weisen einen Durchmesser im Bereich von 100 µm bis 800 µm und einem Aspektverhältnis von mindestens 3:1 auf. Die Fasern weisen ferner eine Beschichtung aus einem polymeren Material auf, wobei eine Dicke der Beschichtung im Bereich von 1 µm bis 400 µm liegt.

Description

Die Erfindung betrifft piezokeramische Fasern, einen piezoelektrischen Verbundwerkstoff, der diese Fasern enthält, sowie einen Ultraschallwandler, der auf Basis des Verbundwerkstoffs hergestellt wird.
Stand der Technik
Die Adaptronik befasst sich mit dem Aufbau adaptiver, aktiv reagierender mechanischer Struktursysteme. Die in der Adaptronik verwendeten Aktoren werden direkt in den Kraftfluss integriert und nutzen die elastomechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien aus. Adaptronische Systeme können sowohl aktorische als auch sensorische Funktionen übernehmen. Die dazu eingesetzten multifunktionalen Werkstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie elektrische, thermische, magnetische oder andere Energie in mechanische Energie umwandeln können (aktive Werkstoffsysteme). Folglich werden diese Werkstoffe auch Wandlerwerkstoffe oder Energiewandler genannt. Insbesondere bei piezoelektrischen Werkstoffen kann diese Energiewandlung in beide Richtungen reziprok geschehen. Anwendungsbeispiele für diesen piezoelektrischen Effekt umfassen piezoelektrische Kraft- oder Beschleunigungssensoren sowie Ultraschallwandler.
Seit einigen Jahren werden piezoelektrische Verbundwerkstoffen auf Basis piezokeramischer Fasern entwickelt. Die Fasern aus einer piezoelektrisch aktiven Keramik werden zu Fasergelegen angeordnet und von einer passiven Polymermatrix umgeben. Die piezokeramische Faser kann beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) bestehen und weist in der Regel einen Durchmesser von 5 µm bis 1000 µm auf. Die Auswahl des Materials der Polymermatrix spielt eine wichtige Rolle für die effektiven Eigenschaften des Komposits. Für Ultraschallanwendungen, bei denen ein hoher Kopplungsfaktor und geringe akustische Impedanz gefordert wird, verwendet man häufig Epoxidharze.
Die Herstellung des Verbundwerkstoffs kann beispielsweise derart erfolgen, dass ein Fasergelege mit dem Polymer der Matrix vergossen wird. Im Fasergelege werden dazu die Fasern zumindest weitgehend parallel ausgerichtet und zu einem Bündel angeordnet. Dann werden sie in eine Gussform gelegt, die mit dem Polymer vergossen wird. Das Aushärten wird unter Vakuum und teilweise bei erhöhter Temperatur durchgeführt. Die Keramikfasern werden dabei so ausgerichtet, dass sie parallel zueinander und senkrecht zur Oberfläche stehen. Diese Anordnung wird als 1–3 Komposit bezeichnet; siehe 1. Dabei steht die „1“ für die Ausrichtung der piezoelektrisch aktiven Fasern 10, die den Komposit eindimensional durchziehen. Die „3“ bezeichnet die piezoelektrisch inaktive Polymermatrix 20, die den Komposit dreidimensional durchzieht. Für die Anwendung in Ultraschallwandlern werden die keramischen Fasern nach Möglichkeit nicht völlig periodisch angeordnet, um unerwünschte laterale Schwingungen zu vermeiden, die die Arbeitsfrequenz des Wandlers nach oben begrenzen würden.
Je nach Ausgangslänge der Fasern erhält man Faserkomposit-Blöcke von mehreren Zentimetern Länge. Mit einer Säge werden von diesem Block Scheiben abgetrennt, deren Dicke sich bei Verwendung in Ultraschallwandlern nach der gewünschten Ultraschallfrequenz richtet. Die Scheiben werden danach auf die notwendige Dicke nachgeschliffen. Beide Seiten der Kompositscheiben werden dann mit einer dünnen Metallschicht als Elektrode versehen. In einem letzten Herstellungsschritt werden die Faserkomposite mit einer entsprechend hohen elektrischen Spannung gepolt, da nur gepolte Keramiken den piezoelektrischen Effekt aufweisen.
EP 1 228 541 B1 beschreibt exemplarisch ein Herstellungsverfahren für einen piezoelektrischen Wandler, bei dem die Fasern mit einer flüssigen Polymermasse umhüllt, die Polymermasse ausgehärtet, die Fasern entlang einer Vorzugsrichtung freigelegt und elektrische Kontakte zur Ansteuerung des Wandlers auf den freigelegten Bereich aufgebracht werden.
Ein weiteres Beispiel für einen Ultraschallwandler auf Basis eines piezoelektrischen Verbundwerkstoffs ist DE 20 2007 001 637 U1 zu entnehmen.
DE 10 2006 062 113 A1 offenbart ionisch funktionalisierte Nano- oder Mesofasern, auf deren Oberfläche gegensinnig geladene ionisch funktionalisierte Partikel aufgebracht sind. Die Faser kann eine Keramikfaser sein.
Eine Keramikfaser mit einer Beschichtung aus einem Komposit aus Polyurethan und keramischen Partikeln beschreiben Felix A. Reifler et al., Flexible ceramic-reinforced polyurethane composite coatings on systhetic fibres: Process of continuous liquid film coating and its influence on the coating thickness, Composite Science and Technology, 70 (2010), 1207–1213.
Ein wichtiger, die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs beeinflussender, Parameter ist der Volumengehalt der Fasern im Komposit. Für den Einsatz in Ultraschallwandlern werden typischerweise Faservolumengehalte von 30 bis 40 Vol.% angestrebt, da hier einerseits der elektromechanische Kopplungsfaktor kt, eine Art Wirkungsgrad, sehr hoch ist und andererseits die akustische Impedanz geringe Werte nahe der Impedanz von Wasser zeigt. Dadurch kann der Ultraschall besser in Medien, wie Wasser, biologischem Gewebe und Luft, eingekoppelt werden.
Bei der weiter oben bereits als Stand der Technik beschriebenen Vergusstechnik zur Herstellung des Verbundwerkstoffs stellt es ein großes Problem dar, die Fasern bei einem geringen Volumengehalt unter 40 Vol.% im Komposit so auszurichten, dass sie zum einen gerade und parallel zueinander stehen und zum anderen möglichst gleichmäßig im Komposit verteilt sind, also keine Agglomerationen bilden oder größere Bereiche ohne Fasern auftreten.
Insbesondere die Fertigung eines piezoelektrischen Verbundwerkstoffs, der sich zur Herstellung eines Ultraschallwandlers im Frequenzbereich von ca. 50 kHz bis 500 KHz eignet, bereitet in der Praxis erheblich Probleme. Die Ultraschallfrequenz des Wandlers ist von der Dicke des 1–3 Komposits aus dem piezoelektrischen Verbundwerkstoff abhängig; die Frequenz ist umgekehrt proportional zur Dicke. Bei einer Dicke von 0,5 mm beträgt die Resonanzfrequenz ca. 2 MHz. Für Anwendungen im Luftultraschallbereich sind daher Dicken von mehr als 3 mm (entspricht einer Frequenz von ca. 400 kHz) notwendig. Ein 1–3 Komposit aus einem piezoelektrischen Verbundwerkstoff für einen 200 kHz-Wandler müsste also ca. 6 mm dick sein. Diese Werte sind nur als grobe Orientierung zu sehen, da sie stark von den elastischen Eigenschaften der Keramikfasern und vor allem des verwendeten Polymers abhängen.
Für das Erreichen des bereits erwähnten hohen Kopplungsfaktors kt ist ein Aspektverhältnis der Fasern von mindestens 3:1, besser jedoch von 10:1 oder höher erforderlich. Das Aspektverhältnis beschreibt das Verhältnis der Faserlänge zum Durchmesser der Faser und die Faserlänge entspricht im genannten Anwendungsfall der Dicke des Wandlers. Bei einem 3 mm dicken 1–3 Komposit (400 kHz) sollten die Fasern also einen Durchmesser von maximal 1 mm, besser jedoch 400 µm oder dünner aufweisen. Zur Realisation eines Ultraschallwandlers im Frequenzbereich 200 kHz bis 500 kHz sind demnach Aspektverhältnis, Volumengehalt der Fasern und eine reguläre, möglichst nicht periodische Faseranordnung im 1–3 Komposit in engen Grenzen zu berücksichtigen. Mit derzeit gängigen Fertigungsverfahren ist dies jedoch allenfalls mit erheblichem Aufwand im industriellen Umfang möglich.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik lassen sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen piezokeramischen Fasern nach Anspruch 1 lösen oder zumindest mindern. Die piezokeramischen Fasern weisen einen Durchmesser im Bereich von 100 µm bis 800 µm auf und besitzen ein Aspektverhältnis von mindestens 3:1. Die Fasern weisen ferner eine Beschichtung aus einem polymeren Material auf, wobei eine Dicke der Beschichtung im Bereich von 1 µm bis 400 µm liegt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Auftragung einer Beschichtung mit definierter Schichtdicke in überraschend einfacher und fertigungstechnisch sehr zuverlässiger Art und Weise die Herstellung piezoelektrischer Faserverbundwerkstoffe erleichtert wird. Durch die Beschichtung werden die Ausrichtung der Fasern und die Einstellung eines bestimmten Abstands zwischen den Fasern wesentlich erleichtert. Mit anderen Worten, die Beschichtung dient vornehmlich als Abstandshalter zwischen benachbarten Fasern und ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung, insbesondere bei geringen Fasergehalten. Letzteres hat besondere Bedeutung bei der Herstellung von 1–3 Kompositen aus den Faserverbundwerkstoffen, die Einsatz finden sollen in Ultraschallwandlern mit einem Frequenzbereich von 50 kHz bis 500 kHz.
Prinzipiell kann die piezokeramische Faser aus allen gängigen keramischen Materialen bestehen, die piezoelektrische Eigenschaften zeigen. Besonders bevorzugt ist jedoch der Einsatz von Faser aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Für die Zwecke der Erfindung von Bedeutung ist lediglich, dass die Fasern einen Durchmesser im Bereich von 100 µm bis 800 µm und ein Aspektverhältnis von mindestens 3:1 aufweisen. Vorzugsweise liegt das Aspektverhältnis im Bereich von 100:1 bis 5:1.
Erfindungsgemäß sind die Fasern mit einem polymeren Material beschichtet. Die Dicke der Beschichtung liegt im Bereich von 1 µm bis 400 µm, insbesondere im Bereich von 20 µm bis 250 µm. Die Beschichtung kann mit Hilfe eines herkömmlichen Verfahrens, zum Beispiel einem Tauchverfahren, einem Sprühverfahren oder einem Spritzgussverfahren, aufgetragen werden.
Die Beschichtung enthält oder besteht aus einem polymeren Material, beispielsweise einem Duroplast oder Thermoplast. Insbesondere ist das polymere Material für die Beschichtung ausgewählt aus der Gruppe umfassend Epoxidharze oder Polyurethane.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Verbundwerkstoff, insbesondere in Form eines 1–3 Komposits, der ein Fasergelage aus den vorab beschriebenen piezokeramischen Fasern enthält, das in eine passive Polymermatrix eingebettet ist. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäß beschichteten Fasern werden vorzugsweise zur Herstellung eines Faserkomposits verwendet.
Vorzugsweise beträgt ein Faservolumengehalt der keramischen Fasern (ohne Beschichtung) im Verbundwerkstoff 30 bis 40 Vol.% am Gesamtvolumen des Verbundwerkstoffs. Die Dicke (s) der Beschichtung wird dabei vorzugsweise gemäß folgender Formel abhängig vom Durchmesser (d) der Faser und dem gewünschten Faservolumengehalt (v) – mit einer Varianz von 10 % – festgelegt:
Beträgt beispielsweise der gewünschte Faservolumengehalt (v) 30 Vol.% und der Durchmesser (d) der Faser 200 µm, so sollte die Schichtdicke (s) der Beschichtung im Bereich von 39 µm bis 47.5 µm liegen.
Der vorab beschriebene piezoelektrische Verbundwerkstoff wird vorzugsweise als piezoelektrischer 1–3 Komposit verwendet. Insbesondere liegt ein Aspekt der Erfindung in der Verwendung des Verbundwerkstoffs in einem Ultraschallwandler. Der Ultraschallwandler weist vorzugsweise eine Arbeitsfrequenz im Bereich von 50 kHz bis 500 kHz auf.
Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen beziehungsweise den abhängigen Ansprüchen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine Prinzipskizze zur Illustration des Aufbaus eines 1–3 Komposits nach dem Stand der Technik;
2 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße piezokeramische Faser; und
3 eine schematische Darstellung eines Verbundwerkstoffs auf Basis der erfindungsgemäßen beschichteten piezokeramischen Fasern.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 wurde bereits bei der Beschreibung des Standes der Technik erläutert.
2 zeigt eine stark schematisierte Schnittansicht durch eine piezokeramische Faser 10 mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung 12. Die Faser 10 kann beispielsweise eine PZT-Faser sein und weist einen Durchmesser im Bereich von 100 µm bis 800 µm auf. Die Beschichtung 12 wird direkt auf der Keramikfaser 10 aufgetragen und umhüllt die Faser 10 vollständig mit einer weitgehend konstanten Schichtdicke. Die Schichtdicke der Beschichtung 12 wird so vorgegeben, dass sie im Bereich von 1 µm bis 400 µm liegt.
Zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs 50, wie schematisch in 3 dargestellt ist, werden die beschichteten Fasern 10 zu einem Fasergelege angeordnet. Dabei ergeben sich die Abstände zwischen den Fasern 10 aus der Summe der beiden Schichtdicken benachbarter Fasern. Auf diese Weise kann demnach in einfacher und definierter Weise eine reproduzierbare Ausrichtung der Fasern erreicht werden. Bestehende Hohlräume werden mit einer herkömmlichen passiven Polymermatrix 20, beispielsweise einem Epoxidharz gefüllt.
Ausführungsbeispiel – Herstellung eines 1–3 Faserkomposits
Fasern aus PZT mit einem Durchmesser von 400 µm werden mit einer Beschichtung aus Polyurethan bei einer Schichtdicke von 77 µm versehen. Die beschichteten Fasern werden als Faserbündel in eine Gussform eingebracht, wobei sich die einzelnen Fasern im Faserbündel vom Boden der Gussform ausgehend senkrecht zur offenen Seite der Gussform erstrecken und die Fasern im Faserbündel direkt aneinanderliegen. Nach dem Verguss des Faserbündels mit einem Epoxidharz entsteht ein 1–3 Komposit mit einem Keramikanteil von 35 Vol.%. Bei einer Kompositdicke von 3 mm beträgt die Serienresonanzfrequenz ca. 450 kHz bei einem Kopplungsfaktor von 72%. Das Aspektverhältnis der Fasern ist hierbei 7.5:1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1228541 B1 [0006]
DE 202007001637 U1 [0007]
DE 102006062113 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Felix A. Reifler et al., Flexible ceramic-reinforced polyurethane composite coatings on systhetic fibres: Process of continuous liquid film coating and its influence on the coating thickness, Composite Science and Technology, 70 (2010), 1207–1213 [0009]

Claims

Piezokeramische Fasern mit einem Durchmesser im Bereich von 100 µm bis 800 µm und einem Aspektverhältnis von mindestens 3:1, wobei die Fasern (10) eine Beschichtung (12) aus einem polymeren Material aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) eine Dicke im Bereich von 1 µm bis 400 µm aufweist.
Piezokeramische Fasern nach Anspruch 1, wobei das polymere Material für die Beschichtung (12) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Duroplaste und Thermoplaste.
Piezokeramische Fasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aspektverhältnis der Faser (10) im Bereich von 100:1 bis 5:1 liegt.
Piezokeramische Fasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (12) eine Dicke im Bereich von 20 µm bis 250 µm aufweist.
Piezokeramische Fasern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezokeramische Faser (10) aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) besteht.
Piezoelektrischer Verbundwerkstoff, enthaltend ein Fasergelege aus piezokeramische Fasern (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das in eine passive Polymermatrix (20) eingebettet ist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, bei dem ein Faservolumengehalt der keramischen Fasern (10) im Verbundwerkstoff 30 bis 40 Vol.% am Gesamtvolumen des Verbundwerkstoffs beträgt.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 7 oder 8, bei dem eine Dicke (s) der Beschichtung (12) gemäß folgender Formel abhängig vom Durchmesser (d) der Faser (10) und dem gewünschten Faservolumengehalt (v) festgelegt ist:
Ultraschallwandler mit einem 1–3 Komposit aus einem piezoelektrischen Verbundwerkstoff (50) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
Ultraschallwandler nach Anspruch 9, bei dem der Ultraschallwandler eine Arbeitsfrequenz im Bereich von 50 kHz bis 500 kHz aufweist.