DE4033091C1 - Controlling elastic characteristics of sensor - by embedding electrostrictive fibres in electroconductive matrix on non-conductive matrix e.g. of silicon carbide - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrostriktive Struktur gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Durch die EP 00 13 952 A1 ist ein Faden aus synthetischen Polymeren be­ kannt geworden, der im Querschnitt über die Fadenlaufrichtung aus minde­ stens drei Schichten aufgebaut ist, wovon mindestens zwei Schichten elek­ trisch leitend sind und wenigstens eine - zwischen den leitenden Schichten liegende - Schicht aus einem elektrisch isolierenden synthetischen Polymer besteht. Dieser Faden wird für elektrische Kondensatoren, elektroakusti­ sche Wandler, piezoelektrische Sensoren etc. verwendet.

Piezoelektrische Leitungen und Kabel sind beispielsweise aus der DE 38 38 890 A1 und aus der US 37 98 474 bekannt. Durch die US 43 49 762 ist ein elektromechanischer Wandler bekannt geworden, der sich aus zwei piezo­ elektrischen Platten mit dazwischenliegenden und abdeckenden Elektroden­ platten zusammensetzt, wobei zwischen den beiden piezoelektrischen Platten Lagen von in einem Epoxyharz eingegossenen Carbon-Fasern angeordnet sind.

Aus der EP 00 13 952 A1 ist es bekannt, einen Faden mit piezoelektrischen Eigenschaften über Textilmaschinen in ein Gewebe oder Gewirke zu verarbei­ ten und aus der US 45 95 515 ist es bekannt, piezoelektrisches Material zur Beeinflussung und Steuerung der mechanischen Eigenschaften in eine elektrisch leitende Matrix einzubetten. Diese Ausführungsformen weisen ei­ nen Aufbau der Struktur auf, der laminar ist und der Vektor der Bewegung oder der Kraft, die es zu erzeugen oder zu detektieren gilt, steht senk­ recht auf der Fläche, in der das piezoaktive Laminat liegt. In der Ebene des Laminats aber verhalten sich diese Werkstoffe jedoch nicht aktuato­ risch oder sensorisch.

Alle diese Ausführungsformen des Standes der Technik sind weiterhin mit dem Nachteil behaftet, daß die aufgedampften, aufgesputterten oder als Fo­ lien aufgebrachten metallischen Beschichtungen Druck- und Zugspannungen aufnehmen und damit der Biegung entgegenwirken können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrostrik­ tive Struktur aufzuzeigen, die eine gezielte Beeinflussung und Steuerbar­ keit des elastischen Verhaltens von Bauteilen - auch definiert anisotrop - erlaubt und auch die Ausführung komplexer Bewegungen oder mehrdimensiona­ ler Verformung zuläßt und gleichzeitig als Sensor für einwirkende Kräfte einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispie­ le erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1a ein Schemabild der elektrisch leitenden und der nicht leitenden Faser und deren Beschichtungen,

Fig. 1b ein Schemabild der Fasern gemäß Fig. 1a mit der Polarisation der elektrostriktiven Faserbeschichtung mittels Platten als Gegen­ elektroden,

Fig. 1c ein Schemabild der Faser gemäß Fig. 1a mit der Polarisation der elektrostriktiven Faserbeschichtung mittels Ringelektrode,

Fig. 2a ein Schemabild eines Faserverbund-Werkstoffs mit elektrisch steuerbaren elastischen Eigenschaften mit elektrisch nichtlei­ tender Matrix,

Fig. 2b ein Schemabild eines Faserverbund-Werkstoffes mit elektrisch steuerbaren elastischen Eigenschaften mit elektrisch leitender Matrix.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrostrik­ tiven Faserverbund-Werkstoff mit elektrisch steuerbaren elastischen Ei­ genschaften zu schaffen, der auch elektrisch steuerbar verformt werden kann und gleichzeitig als Sensor für innere Spannungen als Folge von äu­ ßeren Belastungen geeignet ist. Hierbei werden über eine angelegte Span­ nung die inneren mechanischen Spannungen des Faserverbundes gesteuert. Dem folgt eine mechanische Bewegung des Gesamtsystems, bis sich ein neu­ er Gleichgewichtszustand in den inneren mechanischen Spannungen des Fa­ serverbundes eingestellt hat. Andererseits erzeugen äußere angreifende Kräfte innere mechanische Spannungsänderungen, die als elektrische Span­ nungen gemessen und in der Steuerung des Gesamtsystems berücksichtigt werden können.

Hierzu sind in der Fig. 1a Ausführungsbeispiele einer elektrostriktiven Faser 10 skizziert. Diese besteht im oben dargestellten Ausführungsbei­ spiel aus einem elektrisch leitenden Faserkern, der seinerseits aus ei­ ner elektrisch leitenden Faser 12 besteht. Diese Faser kann eine C-, SiC- oder Nicolan-Faser sein, die mit einer elektrostriktiven Beschich­ tung 15 versehen ist. Im darunterliegenden Ausführungsbeispiel wird der Faserkern von einer nichtleitenden Faser 13. z. B. einer Glas-, SiC- oder Polymer-Faser gebildet, die mit einer elektrisch leitenden, metallischen Beschichtung 14 umgeben ist, welche gleichzeitig als Haftvermittler dient. Darauf ist dann ebenfalls eine elektrostriktive Schicht 15 aufge­ bracht.

Die elektrostriktive Beschichtung 15, beispielsweise aus Bariumtitanat, Pb-Zirkonat oder Quarz wird im Tauch- oder Spritzlackverfahren oder durch Sputtern aufgebracht, gegebenenfalls gesintert und in einem elek­ trischen Feld vorpolarisiert, wie in den Fig. 1b und 1c veranschaulicht ist. Eine Elektrode ist hierbei die elektrisch leitende Faser 12 selbst oder die elektrisch leitende Schicht 14 auf der nichtleitenden Faser 13. Als Gegenelektroden dienen Platten 16 (Fig. 1b) oder eine Ringelektrode 17 (Fig. 1c).

Der elektrostriktive Faserverbundwerkstoff kann nun - wie die Fig. 2a und 2b veranschaulichen - in verschiedene Flächenstrukturen integriert werden und damit neue Bauelemente bilden, d. h. die elektrostriktiven Fa­ sern 10 werden in eine elektrisch leitende Matrix 20, die gleichzeitig den elektrischen Gegenpol bildet, oder in eine nichtleitende, jedoch mit einzelnen elektrisch leitenden Fasern 10 durchwirkte Matrix 30, inte­ griert.

Wird nun zwischen dem elektrisch leitenden Kern der elektrostriktiven Faser 10 und dem Gegenpol - der einmal von der elektrisch leitenden Ma­ trix 20 oder zum andernmal den elektrisch leitenden Fasern 12 der nicht­ leitenden Matrix 30 gebildet wird - eine Spannung angelegt, so hat dies ein elektrisches Feld E in der elektrostriktiven Beschichtung 15 zur Folge. Je nach Vorpolarisierung dieser elektrostriktiven Beschichtung und der Richtung des elektrischen Feldes E führt die angelegte elektri­ sche Spannung zu einer Längen- oder Dickenänderung der elektrostriktiven Beschichtung 15. Die dadurch in ihr (15) auftretenden Spannungen werden von der sogenannten Kernfaser 12 oder 13 aufgenommen und führen in Ab­ hängigkeit vom geometrischen Aufbau des Faserverbundes und der Vertei­ lung der Fasern 10 zu Änderungen im elastischen Verhalten der Struktur 20, 30 oder zu Verformungen.

Die Vorpolarisation der elektrostriktiven Beschichtung (15) geschieht durch Erwärmung der beschichteten Faser über die Curie-Temperatur (Fig. 1b und 1c), wobei die Faser gleichzeitig durch ein elektrisches Feld ge­ führt wird, das durch das Anlegen einer Spannung "u" an zwei Platten­ elektroden 16 oder an eine Ringelektrode 17 und dem elektrisch leitenden Faserkern 12, 14 entsteht. Die beschichtete Faser wird noch innerhalb des elektrischen Feldes auf eine Temperatur unterhalb der Curie-Tempera­ tur abgekühlt.

Die in begrenzten Bereichen der Faserverbundstruktur angreifenden äuße­ ren Krafte - wie Schlag-, Dreh- oder Biegekräfte - und die im Gleichge­ wicht mit den äußeren Kräften stehenden inneren Spannungen führen zu elektrischen Spannungen an den elektrostriktiven Fasern in diesen Berei­ chen. Diese elektrischen Spannungen werden gemessen und beispielsweise durch entsprechende Kräfte von elektrischen Gegenspannungen verstärkt, die den äußeren Kräften entgegenwirken.

Der solchermaßen hergestellte Verbund aus elektrisch leitender Kernfaser 12, 13, elektrostriktiver Beschichtung 15 und Gegenelektrode 20 oder 30 stellt einen Sensor für von außen einwirkende Kräfte dar. Im Falle einer von außen wirkenden Schlag-, Dreh- oder Biegekraft werden die in der elektrostriktiven Beschichtung 15 hervorgerufenen mechanischen Spannun­ gen in Form elektrischer Signale detektiert.

Da durch die elektrischen Regelspannungen Änderungen der mechanischen Spannungen in der Struktur im Mikrosekunden-Bereich erzielt werden, kann das System in Echtzeit reagieren und das elastische Verhalten oder die Geometrie der Verbundstruktur sofort den Erfordernissen angepaßt werden.

Gegenüber den bekannten Ausführungsformen des Standes der Technik wird mit den vorstehend vorgeschlagenen Maßnahmen nicht nur eine nahezu lei­ stungslose Regelung - über die elektrischen Spannungen - des elastischen Verhaltens von komplexen Faserverbund-Strukturen erzielt, sondern der Werkstoff dient gleichzeitig auch als Sensor für einwirkende Kräfte und dadurch auftretende mechanische Spannungen, die bei piezoelektrischen Werkstoffen eine elektrische Spannung hervorrufen, die nun jedoch auch zur Nachregelung des elastischen Verhaltens verwendet wird.

All diese vorgenannten Eigenschaften und Vorteile beeinflussen optimie­ rend die Herstellung von Konzeptionen für Torsionsachsen, Blatt- oder Spiralfedern in Faserverbund- oder Gemischtbauweise. Eine einstellbare Steifigkeit, ein regelbares Dämpfungsverhalten und eine Niveauregulie­ rung durch elektrische Vorspannung wird für alle Baukonzeptionen gewähr­ leistet. Elektrisch gesteuerte Rotorblattverstellungen, optimales ela­ stisches Verhalten von Flügelkonturen und manch anderes mehr wird durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ermöglicht. Letztlich soll noch die gleichzeitige Sensoreigenschaft des Werkstoffes und die dadurch mögliche Echtzeit-Reaktion auf äußere einwirkende Kräfte erwähnt werden.

Claims (9)

1. Elektrostriktive Struktur, deren Fasern elektrisch leitende Schichten und eine dazwischenliegende elektrisch isolierende Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Fasern (10) in einer elektrisch leitenden Matrix (20) als elektrischer Gegenpol oder in einer nichtleitenden mit elektrisch leitenden Fasern (10) durch­ wirkten Matrix (30) eingebettet sind.

2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die elektrostriktiven Fasern (10) für eine Faserverbundstruktur jeweils aus einer elektrisch leitenden, als Elektrode dienenden Faser (12) und einer in einem elektrischen Feld vorpolarisierten elektrostriktiven Beschich­ tung (15) zusammensetzen.

3. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die elektrostriktiven Fasern (10) für eine Faserverbundstruktur jeweils aus einer nicht leitenden, jedoch mit einer elektrisch leitenden, als Elek­ trode dienenden Beschichtung (14) versehenen Faser (13) und einer in ei­ nem elektrischen Feld vorpolarisierten elektrostriktiven Beschichtung (15) zusammensetzen.

4. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitende Faser (12) Kohlenstoff-Fasern (C-, SiC- oder Nicolan-Faser) verwendet werden.

5. Struktur nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtleitende Fasern Glas-, SiC- oder Polymer-Fasern verwendet wer­ den.

6. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß als elektrostriktive Beschichtung Bariumtitanat, Pb-Zirkonat oder Quarz verwendet und im Tauch- oder Spritzlackierverfahren oder durch Sputtern aufgebracht, gesintert und in einem elektrischen Feld vorpolarisiert wird.

7. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Polarisation der piezostriktiven Beschichtung (15) als Ge­ genelektroden Platten (16) oder Ringelektroden (17) verwendet werden.

8. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Matrix (20) aus elektrisch leitenden Polymeren, C- oder SiC-Keramiken gebildet und als elektrischer Gegenpol verwendet wird.

9. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Matrix (30) mit einzelnen elek­ trisch leitenden Fasern (12) durchwirkt wird, die zur Bildung des Gegen­ pols für die Steuerspannung dienen.