DE10218936B4 - Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Wandler - Google Patents

Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Wandler Download PDF

Info

Publication number
DE10218936B4
DE10218936B4 DE10218936A DE10218936A DE10218936B4 DE 10218936 B4 DE10218936 B4 DE 10218936B4 DE 10218936 A DE10218936 A DE 10218936A DE 10218936 A DE10218936 A DE 10218936A DE 10218936 B4 DE10218936 B4 DE 10218936B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
plastic
layer
fibers
resin
carrier layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE10218936A
Other languages
English (en)
Other versions
DE10218936A1 (de
Inventor
Jens Dr. Helbig
Kerstin Dipl.-Ing. Heinrich
Raino Dr. Petricevic
Herbert Reigl
Martin Dr. Gurka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ERF PRODUKTION WUERZBURG GMBH, 97249 EISINGEN, DE
Original Assignee
NEUE MATERIALIEN WUERZBURG GMB
Neue Materialien Wuerzburg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEUE MATERIALIEN WUERZBURG GMB, Neue Materialien Wuerzburg GmbH filed Critical NEUE MATERIALIEN WUERZBURG GMB
Priority to DE10218936A priority Critical patent/DE10218936B4/de
Publication of DE10218936A1 publication Critical patent/DE10218936A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10218936B4 publication Critical patent/DE10218936B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B29C70/08—Fibrous reinforcements only comprising combinations of different forms of fibrous reinforcements incorporated in matrix material, forming one or more layers, and with or without non-reinforced layers
    • B29C70/086—Fibrous reinforcements only comprising combinations of different forms of fibrous reinforcements incorporated in matrix material, forming one or more layers, and with or without non-reinforced layers and with one or more layers of pure plastics material, e.g. foam layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/02—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C43/18—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles incorporating preformed parts or layers, e.g. compression moulding around inserts or for coating articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/40—Shaping or impregnating by compression not applied
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
    • H10N30/092—Forming composite materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/702—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/852—Composite materials, e.g. having 1-3 or 2-2 type connectivity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/02—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C43/18—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles incorporating preformed parts or layers, e.g. compression moulding around inserts or for coating articles
    • B29C2043/181—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles incorporating preformed parts or layers, e.g. compression moulding around inserts or for coating articles encapsulated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/02—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C43/18—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles incorporating preformed parts or layers, e.g. compression moulding around inserts or for coating articles
    • B29C2043/189—Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles incorporating preformed parts or layers, e.g. compression moulding around inserts or for coating articles the parts being joined
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2027/00—Use of polyvinylhalogenides or derivatives thereof as moulding material
    • B29K2027/12—Use of polyvinylhalogenides or derivatives thereof as moulding material containing fluorine
    • B29K2027/18—PTFE, i.e. polytetrafluorethene, e.g. ePTFE, i.e. expanded polytetrafluorethene
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2063/00—Use of EP, i.e. epoxy resins or derivatives thereof, as moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2995/00—Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds
    • B29K2995/0003—Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds having particular electrical or magnetic properties, e.g. piezoelectric
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Wandler, wobei in eine Form ein Schichtstapel (1, 2, 3, 4) eingebracht wird, bei dem aus einem piezoelektrischen keramischen Material hergestellte Fasern (3) mit einer auf einer Trägerschicht (1) vorgesehenen Elektrode (2) in Kontakt sind, wobei die Fasern (3) mit einem fließfähigen Kunststoff umgeben werden und der Kunststoff zur Bildung einer Matrix anschließend ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
a) als Kunststoff ein Kunststoff verwendet wird, der in einen viskoelastischen Zustand mit folgenden Parameter überführbar ist:
Speichermodul G' bei 1 Hz: > 1 Pa, vorzugsweise > 1000 Pa,
Verlustmodul G'' bei 1 Hz: > 100 Pa, vorzugsweise > 5000 Pa,
b) der Kunststoff im viskoelastischen Zustand durch Aufbringen eines Drucks auf den Schichtstapel (1, 2, 3, 4) verpresst wird und
c) der Kunststoff verfestigt und der gebildete Schichtverbund entformt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein solches Verfahren ist aus der US 6,048,622 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird auf einen aus Polytetrafluorethylen hergestellten Boden einer Form eine aus Polyimid hergestellte Folie gelegt, die an ihrer dem Formhohlraum zugewandten Seite mit einer Elektrode versehen ist. Auf die Elektrode werden in paralleler Ausrichtung piezoelektrische Fasern gelegt. Dann wird flüssiges Epoxidharz in die Form gegossen. Zur Beschleunigung des Aushärtens wird das Epoxidharz etwa eine Stunde lang auf eine Temperatur von 60° C erwärmt. Nach dem Aushärten wird das gebildete Komposit entformt.
  • Die so hergestellten Komposite weisen einen mangelhaften elektrischen Kontakt zwischen den Fasern und der Elektrode auf. Das kann insbesondere anhand von Hysteresemessungen nachgewiesen werden. Es wird angenommen, dass sich bei der Herstellung des Komposits zwischen den Fasern und der Elektrode eine Schicht aus Epoxidharz ausbildet.
  • Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, ist es aus der. US 6,048,622 auch bekannt, zunächst lediglich aus den Fasern und dem Epoxidharz ein Komposit herzustellen. Das Komposit wird anschließend an seiner Ober- und Unterseite abgeschliffen, so dass die Fasern oberflächlich freigelegt sind. Anschließend wird mittels Aufdampfen bzw. Sputtern eine die Elektrode bildende Metallschicht auf die Ober- und Unterseite aufgebracht. – Dieses Verfahren erfordert einen hohen Zeit- und Kostenaufwand.
  • Aus der WO 00/02265 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Wandler bekannt. Dabei werden die piezoelektrischen Fasern abschnittsweise mit einem leitfähigen Klebstoff umgossen, der nach dem Aushärten die Elektrode bildet. Bei elektromechanischen Wandlern sind die Elektroden üblicherweise fein strukturiert. Die Herstellung fein strukturierter Elektroden durch Umgießen der Fasern ist zeitaufwändig und kompliziert. Das bekannte Verfahren ermöglicht nicht die kostengünstige Massenfertigung elektromechanischer Wandler.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden, mit dem elektromechanische Wandler einfach, schnell und kostengünstig hergestellt werden können. Die Herstellung soll möglichst in einem Endlosverfahren durchführbar sein. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung sollen die elektromechanischen Wandler außerdem eine verbesserte mechanische und piezoelektrische Qualität aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 20.
  • Nach Maßgabe der Erfindung sind die folgenden Schritte vorgesehen:
    • a) als Kunststoff ein Kunststoff verwendet wird, der in einen viskoelastischen Zustand mit folgenden Parameter überführbar ist: Speichermodul G' bei 1 Hz: > 1 Pa, vorzugsweise > 1000 Pa, Verlustmodul G'' bei 1 Hz: > 100 Pa, vorzugsweise > 5000 Pa,
    • b) der Kunststoff im viskoelastischen Zustand durch Aufbringen eines Drucks auf den Schichtstapel verpresst wird und
    • c) der Kunststoff verfestigt und der gebildete Schichtverbund entformt wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können hochflexible dünne mechanische Wandler hergestellt werden. Die hohe Flexibilität der elektromechanischen Wandler wirkt einer Materialermüdung entgegen und erhöht deren Lebensdauer. Die Elektroden können einfach, z.B. mittels Siebdruck, auf die Trägerschicht aufgebracht werden. Indem der elektromechanische Wandler durch Verpressen eines Kunststoffs im viskoelastischen Zustand mit den vorgenannten Parametern hergestellt wird, wird ein besonders guter Kontakt zwischen den Fasern und der Elektrode erreicht. Es ist ein ausgeprägter Piezoeffekt messbar. Das vorgeschlagene Verfahren kann einfach und mit geringem Kostenaufwand durchgeführt werden.
  • Das Speichermodul G' beschreibt den elastischen Anteil der viskoelastischen Eigenschaft. Bei den nach dem Stand der Technik verwendeten Epoxidharzen ist der elastische Anteil äußerst gering. Das Speichermodul G' eines Epoxidharzes liegt im Bereich von 0,1 Pa. Insbesondere die durch das Speichermodul G' beschriebene Elastizität des Kunststoffs trägt dazu bei, dass dieser nicht zwischen die Fasern und die Elektrode fließt; die Fasern liegen ohne Ausbildung einer Zwischenschicht unmittelbar an der Elektrode an. Es wird ein verbesserter elektrischer Kontakt gewährleistet. Das Verlustmodul G'' beträgt bei einem nach dem Stand der Technik verwendeten Epoxidharz etwa 20 Pa. Im erfindungsgemäß vorgeschlagenen viskoelastischen Zustand weist der Kunststoff ein dem viskosen Anteil der viskoelastischen Eigenschaft beschreibenden Verlustmodul G'' von mehr als 100 Pa, vorzugsweise mehr als 5000 Pa, auf. Das Verpressen des Kunststoffs im viskoelastischen Zustand trägt wesentlich zu den verbesserten Eigenschaften des elektromechanischen Wandlers bei.
  • Der Kunststoff ist zweckmäßigerweise ein thermoplastischer Kunststoff, der durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur in den viskoelastischen Zustand überführt wird. Im Temperaturbereich oberhalb der Glasübergangstemperatur zeigen die meisten thermoplastischen Kunststoffe zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete viskoelastische Eigenschaften.
  • Als thermoplastischer Kunststoff kann einer der folgenden Kunststoffe verwendet werden: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polyacrylnitril (PAN), Polyamid (PA), Polyester (PES), Polyacrylate, Polyimide (PEI), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyurethan (PUR), Polycarbonat (PC), Fluorkunststoffe (PTFE, PFA, PVDF), Polyetheretherketon (PEEK), Schwefelpolymere (PSU, PES).
  • Es ist aber auch mögliche, dass der Kunststoff ein Harz ist, das durch Abkühlen oder Zumischen eines Verstärkungskomponente in den viskoelastischen Zustand überführt wird. Der Kunststoff kann im ausgehärteten Zustand ein duroplastischer Kunststoff sein. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Harz aus einem der folgenden Kunststoffe gebildet: Formaldehyd-Formmassen (PF, RF, CF, XF, FF, MF, UF, MUF, MUPF), ungesättigtes Polyester-Harz (UP), Vinyl-Harz (VE), Vinylesterurethane (VU), Epoxid-Harz (EP), Diallyphtalat-Harz, Allylester (PDAP), Silikon-Harz (SI). Dem Harz kann als Verstärkungskomponente eine der folgenden Stoffe zugesetzt werden: Kohlenstoff, PAN, Polyester, Glasfaser, Aramid oder mindestens einem der vorgenannten Kunststoffe. Die Verstär kungskomponente kann aber auch aus einem der folgenden Stoffe hergestellt sein: Kohlenstoff, PAN, Polyester, Glasfaser, Aramid. Die Verstärkungskomponente kann z.T. auch als Vlies oder Gewebe vorliegen.
  • Es hat sich weiter als zweckmäßig erwiesen, dass beim Schritt fit. b ein Druck von 1 bis 50 bar, vorzugsweise 5 bis 10 bar, auf den Schichtstapel aufgebracht wird. Ein solcher Druck führt zu einer ausreichenden Verdichtung und zu einer innigen Verbindung des Kunststoffs mit den Fasern. Der Kunststoff dämpft im viskoelastischen Zustand den aufgebrachten Druck. Es kommt nicht zur Ausbildung von Druckspitzen an den Fasern. Im vorgeschlagenen Druckbereich kommt es nicht zu einer Zerstörung der Fasern. Der Druck kann für eine Dauer von 1 Millisekunde bis 300 Sekunden, vorzugsweise 0,1 bis 180 Sekunden, aufgebracht werden.
  • Weiter hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Trägerschicht aus einem Material hergestellt ist, dessen Schmelzpunkt höher als der des Kunststoffs ist. Die Trägerschicht kann durch die, vorzugsweise als Vlies oder Gewebe ausgebildete, Verstärkungskomponente gebildet sein. In diesem Fall wird die Trägerschicht Bestandteil des elektromechanischen Wandlers. Nach einer alternativen Ausführungsform kann es aber auch sein, dass die Trägerschicht nach der Verfestigung des Kunststoffs vom Schichtverbund entfernt wird. In diesem Fall kann die Trägerschicht kann auch aus einem, ggf. mit einem Trennmittel beschichteten, Werkzeugstahl hergestellt sein. Nach einem weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsmerkmal ist die Trägerschicht aus PTFE (Polytetrafluorethylen) hergestellt. Die darauf ursprünglich aufgebrachte Elektrode löst sich ohne weiteres von einer solchen Trägerschicht ab.
  • Die Elektroden können ferner auf einem beliebigen anderen Trägermaterial aufgebracht werden. Es ist auch möglich als Trägermaterial z.B. den thermoplastischen Kunststoff zu verwenden.
  • Die Elektrode kann mittels eines Druckverfahrens, vorzugsweise mittels Siebdruck, auf die Trägerschicht aufgedruckt sein. Die Anschlüsse der Elektrode werden zweckmäßigerweise vor dem Schritt lit. b jeweils mit Kabeln oder Metallfolien verbunden.
  • Weiter hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zumindest den Schritt lit. b unter Vakuum durchzuführen. Damit wird einem unerwünschten Einschluss von Gasblasen in das Komposit entgegengewirkt. Ferner ist es von Vorteil, dass der Druck unter Vermittlung einer aus PTFE hergestellten Platte auf den Schichtstapel aufgebracht wird. Alternativ dazu kann die Platte auch aus einem Werkzeugstahl hergestellt sein, der mit einem geeigneten Trennmittel beschichtet ist. Eine solche Platte verklebt mit dem Schichtstapel nicht. Es ist eine einfache Entformung möglich. Ferner kann so der Druck gleichmäßig über die Fläche verteilt auf den Schichtstapel aufgebracht werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Fasern nach einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Derartige Fasern sind besonders elastisch. Sie eignen sich besonders zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers mit einer aus thermoplastischem Kunststoff gebildeten Matrix. Hinsichtlich der Herstellung der Fasern nach dem Sol-Gel-Verfahren wird auf die US 5,945,025 und die DE 196 35 748 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit einbezogen wird.
    •
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
  • 1 Verschiedene Ansichten einer Trägerschicht mit Elektrode,
  • 2a–c schematische Ansichten verschiedener Verfahrensschritte,
  • 3a–g verschiedene Schichtabfolgen zur Durchführung des Verfahrens und
  • 4 eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines elektromechanischen Wandlers.
  • In 1 ist eine beispielsweise aus PTFE hergestellter Trägerschicht 1 mit strukturierten Elektroden 2a, 2b versehen. Die Elektroden 2a, 2b können aus einer Leitpaste oder Leitkleber auf der Basis von Silber oder Kohlenstoff bestehen, welcher z.B. mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Trägerschicht 1 aufgedruckt worden ist. Die beiden Elektroden 2a und 2b sind jeweils nach Art eines Rechens ausgebildet. Die Rechen der beiden Elektroden 2a und 2b greifen ineinander. Die Anschlussbereiche der Elektroden 2a, 2b können mit einem (hier nicht gezeigten) Draht oder mit einer Metallfolie kontaktiert sein.
  • In den 2a bis 2c sind in schematischen Schnittansichten die wesentlichen Schritte des Verfahrens gezeigt.
  • In 2a ist ein Schichtstapel gebildet aus der Trägerschicht 1 mit den darauf aufgedruckten Elektroden 2. Auf den Elektroden 2 liegen in paralleler Anordnung aus einem kerami schen Material hergestellte piezoelektrische Fasern 3. Die Fasern 3 sind wiederum überlagert von einer aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellten Kunststoffschicht 4. Die Trägerschicht 1 ist im vorliegenden Beispiel aus PTFE hergestellt. Die Elektroden 2 sind durch Aufdrucken einer Leitpaste auf der Basis von mit Epoxid-Harz gebundenem Silber auf die Trägerschicht 1 aufgebracht. Die piezoelektrischen Fasern 3 sind nach einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Sie bestehen z.B. aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Ihr Durchmesser liegt im Bereich zwischen 5 und 150 μm. Die Herstellung solcher Fasern ist z.B. in der DE 196 35 748 beschrieben. Die Kunststoffschicht 4 ist im vorliegenden Beispiel aus Polyethylen hergestellt.
  • Der Schichtstapel wird auf eine Temperatur aufgeheizt, die etwa 10 bis 50°C oberhalb der Glasübergangstemperatur liegt, hier z.B. 140°C. Die Kunststoffschicht 4 erweicht bei dieser Temperatur und wird in einen viskoelastischen Zustand überführt. Unter Vermittlung (hier nicht gezeigten) Teflonplatte wird nun ein Druck von etwa 10 bar auf die Kunststoffschicht 4 ausgeübt.
  • Aus 2b ist ersichtlich, dass durch den ausgeübten Druck die Kunststoffschicht 4 verformt wird. Sie umgibt die Fasern 3 und die Elektroden 2.
  • Nach dem Abkühlen wird die aus PTFE gebildete Trägerschicht 1 abgezogen, anschließend werden in einem weiteren (hier nicht gezeigten) Verfahrensschritt die Elektroden 2 kontaktiert. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Elektroden 2 vor dem in 2a gezeigten Schritt des Heispressens mit einem Draht zu verbinden. In diesem Fall wird der Draht vorteilhafterweise zum Teil ebenfalls Bestandteil des Komposits. Die Verbindung zwischen dem Draht und den Elektroden 2 ist besonders haltbar.
  • Die 3a bis 3g zeigen verschiedene Möglichkeiten des Aufbaus des Schichtstapels. 3a zeigt den bereits in 2a bis c beschriebenen Schichtstapel. In 3b ist die Elektrode 2 auf der Kunststoffschicht 4 aufgedruckt.
  • Bei dem in 3c gezeigten Ausführungsbeispiel, sind die Fasern 3 beidseitig mit Elektroden 2 versehen. Die eine Elektrode 2 ist auf der Trägerschicht 1, die andere Elektrode 2 auf der Kunststoffschicht 4 angebracht.
  • Bei dem in 3d gezeigten Ausführungsbeispiel eines Schichtstapels sind die Elektroden 2 jeweils auf der Oberfläche der Kunststoffschicht 4 angebracht. Die Fasern 3 sind wiederum beidseits mit den Elektroden 2 in Kontakt.
  • Bei denen in 3b, 3c und 3d gezeigten Schichtstapeln wird jeweils die auf der Kunststoffschicht 4 angebrachte Elektrode nach dem Heispressen integraler Bestandteil des Komposits.
  • Die in den 3e – 3g gezeigten Ausführungsbeispiele zeigen Schichtstapel zur Herstellung von elektromechanischen Wandlern mit jeweils zwei einander gegenüberliegenden aus den Fasern 3 gebildeten Schichten. Die Kunststoffschicht 4 kann dabei in der Mitte angeordnet sein (siehe 3e und 3g). Sie kann aber auch eine Ober- und Unterseite des Schichtstapels bilden (siehe 3f). Bei den in den 3e und 3f gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Elektrode 2 jeweils auf der Trägerschicht 3 aufgebracht. In diesem Fall ist die Trägerschicht zweckmäßigerweise als Verstärkungskomponente z.B. in Form eines aus Fasern hergestellten Vlieses oder Gewebes aus gebildet. Bei dem in 3g gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Elektrode auf der Kunststoffschicht 4 aufgebracht.
  • Das vorliegende Verfahren ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise die Herstellung elektromechanischer Wandler im Endlosverfahren. Das Verpressen eines thermoplastischen Kunststoffs im viskoelastischen Zustand führt überraschenderweise weder zu einer Zerstörung noch zu einem Umfließen der Fasern 3 im Kontaktbereich zu den Elektroden 2. Es bildet sich ein besonders guter elektrischer Kontakt zwischen den Fasern 3 und den Elektroden 2 aus. Das wird insbesondere auf die elastischen Eigenschaften des thermoplastischen Kunststoffs beim Verpressen zurückgeführt.
  • 4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten elektromechanischen Wandlers. Deutlich erkennbar haben eine Vielzahl von Fasern 3 einen unmittelbaren Flächenkontakt mit der Elektrode z. Bei einem kleinen Anteil der Fasern 3 ist zwischen deren Oberfläche und der Elektrode eine aus dem thermoplastischen Kunststoff 4 bestehende Schicht ausgebildet. Insgesamt weist der gezeigte elektromechanische Wandler im Vergleich zu nach dem Stand der Technik bekannten elektromechanischen Wandlern einen drastisch verbesserten Kontakt der Fasern 3 zur Elektrode 2 auf. Die piezoelektrischen Eigenschaften sind erheblich verbessert.
    • 1
    Trägerschicht
    2, 2a, 2b
    Elektrode
    3
    Faser
    4
    Kunststoffschicht

Claims (20)

  1. Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Wandler, wobei in eine Form ein Schichtstapel (1, 2, 3, 4) eingebracht wird, bei dem aus einem piezoelektrischen keramischen Material hergestellte Fasern (3) mit einer auf einer Trägerschicht (1) vorgesehenen Elektrode (2) in Kontakt sind, wobei die Fasern (3) mit einem fließfähigen Kunststoff umgeben werden und der Kunststoff zur Bildung einer Matrix anschließend ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) als Kunststoff ein Kunststoff verwendet wird, der in einen viskoelastischen Zustand mit folgenden Parameter überführbar ist: Speichermodul G' bei 1 Hz: > 1 Pa, vorzugsweise > 1000 Pa, Verlustmodul G'' bei 1 Hz: > 100 Pa, vorzugsweise > 5000 Pa, b) der Kunststoff im viskoelastischen Zustand durch Aufbringen eines Drucks auf den Schichtstapel (1, 2, 3, 4) verpresst wird und c) der Kunststoff verfestigt und der gebildete Schichtverbund entformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kunststoff ein thermoplastischer Kunststoff ist, der durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur in den viskoelastischen Zustand überführt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als thermoplastischer Kunststoff einer der folgenden Kunststoffe verwendet wird: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polyacrylnitril (PAN), Polyamid (PA), Polyester (PES), Polyacrylate, Polyimide (PEI), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyurethan (PUR}, Polycarbonat (PC), Fluorkunststoffe (PTFE, PFA, PVDF), Polyetheretherketon (PEEK), Schwefelpolymere (PSU, PES).
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kunststoff ein Harz ist, das durch Abkühlen oder Zumischen einer Verstärkungskomponente in den viskoelastischen Zustand überführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Kunststoff im ausgehärteten Zustand ein duroplastischer Kunststoff ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das Harz aus einem der folgenden Kunststoffe gebildet ist: Formaldehyd-Formmassen (PF, RF, CF, XF, FF, MF, UF, MUF, MUPF), ungesättigtes Polyester-Harz (UP), Vinyl-Harz (VE), Vinylesterurethane (VU), Epoxid-Harz (EP), Diallyphtalat-Harz, Allylester (PDAP), Silikon-Harz (SI).
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei dem Harz als Verstärkungskomponente einer der folgenden Stoffe zugesetzt wird: Kurz- oder Langfasern, Fasergelege, Fasergewirke, Fasergeflecht, Fasergewebe, Faservlies, Fasermatten, Granulat, Sphären, Pulver oder Schäume.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Verstärkungskomponente aus dem der folgenden Stoffe hergestellt ist: Kohlenstoff, PAN, Polyester, Glasfaser, Aramid oder mindestens einem der in Anspruch 6 genannten Kunststoffe.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Schritt lit. c ein Druck von 1 bis 50 bar, vorzugsweise 5 bis 10 bar, auf den Schichtstapel (1, 2, 3, 4) aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Druck für eine Dauer von 1 Millisekunde bis 300 Sekunden, vorzugsweise 0,1 bis 180 Sekunden, aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (1) aus einem Material hergestellt ist, deren Schmelzpunkt höher als der des Kunststoffs ist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (1) durch die, vorzugsweise als Vlies oder Gewebe ausgebildete, Verstärkungskomponente gebildet ist.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach Verfestigung des Kunststoffs die Trägerschicht (1) vom Schichtverbund entfernt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (1) aus einem, ggf. mit einem Trennmittel beschichteten, Werkzeugstahl hergestellt ist.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (1) aus PTFE hergestellt ist.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode (2) mittels eines Druckverfahrens, vorzugsweise mittels Siebdruck, auf die Trägerschicht (1) aufgedruckt ist.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anschlüsse der Elektrode (2) vor dem Schritt lit. b jeweils mit Kabeln oder Metallfolien verbunden werden
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der Schritt lit. b unter Vakuum durchgeführt wird.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druck unter Vermittlung einer aus PTFE hergestellten Platte auf den Schichtstapel (1, 2, 3, 4) aufgebracht wird.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fasern (3) nach einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden.
DE10218936A 2002-04-27 2002-04-27 Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Wandler Expired - Fee Related DE10218936B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10218936A DE10218936B4 (de) 2002-04-27 2002-04-27 Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Wandler

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10218936A DE10218936B4 (de) 2002-04-27 2002-04-27 Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Wandler

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10218936A1 DE10218936A1 (de) 2003-11-20
DE10218936B4 true DE10218936B4 (de) 2004-03-04

Family

ID=29264880

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10218936A Expired - Fee Related DE10218936B4 (de) 2002-04-27 2002-04-27 Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Wandler

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10218936B4 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011080125A1 (de) * 2011-07-29 2013-01-31 Robert Bosch Gmbh Kapazitiver Schallwandler mit Faserverstärkung
CN108495961A (zh) * 2016-11-01 2018-09-04 株式会社村田制作所 抗菌性非织造部件、抗菌性无纺布、和抗菌性缓冲材料

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010077438A1 (en) * 2008-12-30 2010-07-08 3M Innovative Properties Company Electromechanical materials and devices including the same
FR2951223B1 (fr) * 2009-10-09 2011-12-23 Snecma Amortissement d'une piece tournante par dispositif piezoelectrique dissipatif semi-actif commute.
FR2951222B1 (fr) * 2009-10-09 2013-01-11 Snecma Amortissement d'une piece tournante par dispositif piezoelectrique dissipatif passif ou semi-passif.
DE102010013565A1 (de) 2010-03-30 2012-01-19 Fludicon Gmbh Elektromechanischer Wandler und Verfahren zur Herstellung des elektromechanischen Wandlers
CN113043582B (zh) * 2019-12-26 2023-03-31 中国科学技术大学 一种提高聚合物材料压电响应的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19635748A1 (de) * 1996-09-03 1998-03-05 Fraunhofer Ges Forschung Keramische und insbesondere piezoelektrische Mono- oder Multifilamentfasern und Verfahren zu deren Herstellung
WO2000002265A1 (de) * 1998-06-30 2000-01-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Elektromechanischer wandler und verfahren zur herstellung
US6048622A (en) * 1994-04-19 2000-04-11 Massachusetts Institute Of Technology Composites for structural control
DE19954020A1 (de) * 1999-11-10 2001-06-07 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6048622A (en) * 1994-04-19 2000-04-11 Massachusetts Institute Of Technology Composites for structural control
DE19635748A1 (de) * 1996-09-03 1998-03-05 Fraunhofer Ges Forschung Keramische und insbesondere piezoelektrische Mono- oder Multifilamentfasern und Verfahren zu deren Herstellung
WO2000002265A1 (de) * 1998-06-30 2000-01-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Elektromechanischer wandler und verfahren zur herstellung
DE19954020A1 (de) * 1999-11-10 2001-06-07 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011080125A1 (de) * 2011-07-29 2013-01-31 Robert Bosch Gmbh Kapazitiver Schallwandler mit Faserverstärkung
CN108495961A (zh) * 2016-11-01 2018-09-04 株式会社村田制作所 抗菌性非织造部件、抗菌性无纺布、和抗菌性缓冲材料
CN108495961B (zh) * 2016-11-01 2021-03-26 株式会社村田制作所 抗菌性非织造部件、抗菌性无纺布、和抗菌性缓冲材料

Also Published As

Publication number Publication date
DE10218936A1 (de) 2003-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1059160B1 (de) Verbundmaterial
EP1727669B1 (de) Verbundbauteil
EP3096935B1 (de) Verfahren zum fügen von faserverstärktem kunststoffmaterial
EP1077127A2 (de) Verbundwerkstoff mit einer Zwischenschicht, welche mindestens durch eine Naturfasermatte aus nachwachsenden Rohstoffen gebildet ist.
DE10297295T5 (de) Laminiertes Dämpfungsbasismaterial und Dämpfungsanordnung mit Schichtung dieses Basismaterials
DE10218936B4 (de) Verfahren zur Herstellung elektromechanischer Wandler
EP3023236A1 (de) Verfahren zur herstellung von faserverbundteilen und ein faserverbundteil
EP3553144B1 (de) Faser-matrix-klebeband
DE102015007575A1 (de) Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes eines metallischen Fügepartners und eines Kunststoff-Faser-Verbundes
DE102014222818B4 (de) Elektronik-Sandwichstruktur mit zwei mittels einer Sinterschicht zusammengesinterten Fügepartnern
EP4010176A1 (de) Verfahren zur herstellung eines bauteils sowie bauteil hierzu
EP0453877B1 (de) Verfahren zum Herstellen von multifunktionalen Verkleidungsteilen
EP3642021B1 (de) Multi-material-verbund und verfahren zu dessen herstellung
EP3504046B1 (de) Faserverstärkter schaumstoff
DE102014017809B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils
DE102010045220A1 (de) Spritzgießvorrichtung zum Imprägnieren von Fasergebilden und Spritzgieß-Imprägnierverfahren
EP1524105B1 (de) Leichtbau-Verbundmaterial sowie Verfahren zu dessen Herstellung
DE19508158A1 (de) Verwendung eines Verbundstoffes zur Herstellung von Sportbällen sowie als wasserdichtes und atmungsaktives Schuhobermaterial
WO2019192952A1 (de) Verfahren zum herstellen einer brennstoffzelle mit fluidleitelement aus metallfasern und kunststoff, sowie brennstoffzelle
DE19604692A1 (de) Mehrlagiges Bauelement sowie Verfahren zu dessen Herstellung
DE10116624A1 (de) Kunststoffelement mit faserhaltiger Beschichtung
WO2000000351A1 (de) Verfahren zur herstellung eines verbundkörpers aus faserverstärktem kunststoff und nach diesem verfahren hergestellter verbundkörper
EP3656611B1 (de) Innenausstattungsteil mit einem faserformteil und verfahren zu dessen herstellung
DE202006004594U1 (de) Presspolster
EP4003702A1 (de) Verfahren zum verbinden zweier bauteile aus einem thermoplastischen kunststoffmaterial

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8364 No opposition during term of opposition
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: ERF PRODUKTION WUERZBURG GMBH, 97249 EISINGEN, DE

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01L0041240000

Ipc: H01L0041330000