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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet
von Verbundmaterialien von der Art, die eine Matrix umfassen, die
typischerweise aus Harz und Verstärkungsfasern, wie z.B. Karbonfasern,
Glasfasern und Aramidfasern, hergestellt ist. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf die Verbundmaterialien, die als aktive Funktionalverbünde bezeichnet
werden. Dies sind Verbundmaterialien, die aus einer Matrix gemacht
sind, innerhalb der dort eingebettete Fasern aus aktivem Material sind,
die in der Lage sind, an die Matrix die Verformung zu übertragen,
der sie selbst ausgesetzt sind als ein Resultat elektrischer oder
thermischer Anregungen, und folglich sind sie in der Lage, die Oberflächen aktiv
zu machen. Funktionale Verbünde
kombinieren die exzellenten mechanischen Eigenschaften von Verbünden mit
den Eigenschaften von aktiven Materialien, die ebenfalls als „intelligente
Materialien" bezeichnet
werden, wie z.B. Formgedächtnislegierungen
(SMAs) und elektroaktive Polymere (EAPs), um so ein Material zu
erhalten, das in der Lage ist, seine eigenen mechanischen Eigenschaften
(Verformung, Festigkeit) zu variieren, wenn es von außen durch
Signale stimuliert wird von einer elektrischen, thermischen, magnetischen
Art, usw.
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Aktive
Materialien sind Materialien, die in der Lage sind, ihre eigenen
mechanischen Eigenschaften zu ändern,
und folglich in der Lage sind, eine Arbeit auszuführen, wenn
sie von außen
durch Signale stimuliert werden von einer elektrischen, thermischen,
magnetischen Art, usw.; umgekehrt sind sie in der Lage, ein elektrisches
Signal zu produzieren, wenn sie mechanischer Verformung ausgesetzt
sind, und folglich sind sie in der Lage, als Sensoren zu funktionieren.
Unter den wichtigsten aktiven Materialien sind die interessantesten
in Hinblick auf industrielle Reife: piezoelektrische Keramiken und
Polymere, Formgedächtnismaterialien,
elektroaktive Polymere, magnetostriktive Materialien und magnetoelektro-rheologische
Flüssigkeiten.
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Die
am meist-verbreiteten genutzten Formgedächtnismaterialien sind Metalllegierungen,
die in der Lage sind, sich einer Variation in makroskopischer Form
zu unterziehen, folgend auf eine reversible martensitische Transformation,
und so eine Arbeit auszuführen,
wenn sie thermisch durch externe Beheizung oder Durchfluss von Strom
stimuliert werden. Dieses Phänomen
tritt in der Mehrzahl der Fälle auf,
wenn die Legierung über
eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, bei der Phasentransformation
stattfindet (d.h. von martensitisch zu austenitisch), welches eine
Umordnung der Atome innerhalb des Kristallgitters verursacht und
eine darauffolgende dimensionale Veränderung.
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Die
fundamentalen Mechanismen, die dem Formgedächtniseffekt zugrunde liegen,
sind die komplette Reversibilität
der martensitischen Transformation und ihre thermoelastische Natur.
Martensitische Transformation ist eine strukturelle Transformation der
ersten Ordnung ohne Diffusion, verursacht durch tangentiale Verschiebung
von aufeinanderfolgenden Atomebenen. Es startet bei einer Temperatur
(MS), schreitet in der Stammphase fort und
endet nicht, bis es eine Temperatur Mf < MS erreicht
ist. Da die Verformung des Gitters, die durch die Transformation selbst
hervorgerufen ist, zwangsläufig
eine starke Spannung in der Matrix induziert, welches Keimbildung
und weiteres Fortschreiten der martensitischen Phase behindert oder
stoppt, wird die Transformation stets begleitet durch eine Veränderung
in Volumen oder Form.
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Das
Basismerkmal von martensitischer Transformation von Formgedächtnislegierungen
ist, dass die Transformation eine thermoelektrische Natur zeigt;
d.h. martensitischen Platten, die nach Kühlen auf vorbestimmten Kristallebenen
des Austenits nukleiren und auf den Ebenen in bestimmten kristallographischen
Rich tungen wachsen, um so präzise Beziehungen
von reziproker Orientierung zu etablieren, haben die Fähigkeit,
sich selbst mit geringer tangentialer Verschiebung an die Kanten
der Platten zu setzen und/oder durch Verkuppelung davon, um so keine
makroskopische Veränderung
in der Form des Materials zu verursachen.
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Sobald
die Transformation abgeschlossen ist, ist aus dem austenitischen
Monokristalle dort eine Struktur erzielt, geformt durch eine Anzahl
von verschieden orientierten martensitischen Varianten, deren Anzahl
von der Symmetrie des austenitischen Gitters abhängen wird. Auf Erhitzung (umgekehrte austenitische
Transformation) wird Bildung (Keimbildung) des Austenits auf den
martensitischen Platten gemäß der gleichen
austenitischen/martensitischen, kristallographischen Beziehungen
auftreten, und, da jede Variante der Matrix von einem Einkristall
erhalten ist, wird das Ende der umgekehrten Transformation zu dem
originalen Monokristall führen.
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Der
Mechanismus, auf dem der Formgedächtniseffekt
basiert, ist die komplette Reversibilität der martensitischen Transformation.
Tatsächlich
sind die Materialien, die Formen von thermischer Behandlung unterzogen
werden, die in der Lage sind, zuerst die austenitische/martensitische
Transformation (während
Kühlens)
und dann die umgekehrte Transformation, die es zurück in den
austenitischen Zustand bringt (während
Erhitzens), einzuleiten, in der Lage, die exakte kristalline Orientierung
wieder anzunehmen, die es vor der Vorwärtstransformation hatte, was
immer die mechanische Behandlung war, der es vielleicht in dem martensitischen
Zustand unterzogen wurde.
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Kommerzielle
Formgedächtnislegierungen sind
häufig
Ni-Ti-basiert und Cu-basiert.
Ni-Ti-basierte Legierungen zeigen gute Duktilität, einen guten Löslichkeitsbereich,
Verarbeitbarkeit in Vakuumbedingungen während Synthese, gute Widerstandsfähigkeit
gegen Korrosion und exzellente mechanische Eigenschaften. Cu-basierte
Legierungen zeigen hingegen niedrige Produktionskosten, Verar beitbarkeit in
Luft, Leichtigkeit der Modifikation der Transformationstemperaturen,
aber dürftige
mechanische Eigenschaften.
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Zusätzlich zu
Metalllegierungen gibt es dort ebenfalls Formgedächtnispolymere (SMPs). Ein Formgedächtnispolymer
ist in der Lage, seine Steifigkeit und Form zu modifizieren, gemäß der Temperatur,
der es ausgesetzt ist. Wenn erhitzt, geht dieses Material rapide
von einem glasartigen Zustand zu einem hochverformbaren gummiartigen
Zustand über und
kehrt dann gleichartig rapide in seine Originalform und -härte zurück, wenn
es abgekühlt
wird. Genau aufgrund dieser besonderen Eigenschaft ist es möglich, das
Polymer mit extremer Leichtigkeit zu modellieren, sofern die Operation über die Übergangstemperatur
ausgeführt
wird, welche verursacht, dass es einen weiten Bereich von Formen
annimmt, und dann darauf die erwünschte
Form über rapides
Kühlen
zu „fixieren". SMPs sind in der
Form von Kügelchen
oder als Lösungen
verfügbar
und können
geformt werden unter Verwendung von Standardprozessen, wie z.B.
Extrusion, heiße
Injektion, Gießen
oder Beschichten. Ungleich zu Formgedächtnislegierungen weist der
Transformationszyklus von SMPs keine Hysterese auf.
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Weiterhin
können
in einer An und Weise ähnlich
zu Metalllegierungen, dank ihres „Gedächtnisses", SMPs ihre Originalform eine unbegrenzte
Anzahl von Malen wieder annehmen, in der Abwesenheit von vorgegebenen
Kräften,
wenn sie über
ihre kritische Temperatur zurückgebracht
werden. Dort existieren Standardübergangstemperaturen,
die durch den Produzenten vorhergesehen sind (25°C, 30°C, 35°C, 45°C und 55°C), aber zusätzlich zu der Möglichkeit
von spezifischen Übergangstemperaturen
zwischen –30°C und +70°C, die von
dem Material verlangt werden, kann es ebenfalls möglich sein,
den „Übergangsbereich" selbst zu programmieren.
Andere Eigenschaften, die SMPs charakterisieren, sind die Kapazität zur Aufnahme
von Stoß und
variable Transpiration. Wenn das SMP in der Form eines dünnen Film
hergestellt ist, variiert die Permeabilität des Films tatsächlich mit
der Temperatur. In der Übergangsphase
erlaubt das Polymer eine Dämpfung,
die drei bis fünf
mal höher
ist als ein vergleichbares Gummiprodukt, und erhöht seinen Transpirationswert
um einen Faktor von 10 im Verlaufe des Übergangs zu dem gummiartigen
Zustand, gleichzeitig totale Undurchlässigkeit beibehaltend.
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Eine
andere Kategorie von aktiven Materialien ist durch elektroaktive
Polymere repräsentiert. Dies
sind polymerische Materialien, die in der Lage sind, sich Verformung
zu unterziehen, wenn ein elektrisches Feld daran angelegt wird.
Diese können
unterschieden werden in: elektrostriktive Polymere, Ion-Polymer-Metallverbünde (IPMCs)
und leitfähige Polymere.
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Eine
andere Kategorie von aktiven Materialien ist die der elektrostriktiven
Polymere, d.h. Materialien, die, wenn sie elektrischen Feldern ausgesetzt werden
(üblicherweise
durch verformbare Elektroden), mit einer Reduktion in der Dimension
parallel zu dem Feld reagieren und einer Vergrößerung in einer Richtung senkrecht
dazu.
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Das
obige Phänomen
tritt prinzipiell auf aus mechanischen Gründen des Quetschens durch die Elektroden
selbst in dem Fall von inkompressiblen, elastischen Polymeren, wohingegen
in dem Fall semikristalliner und steiferer Polymere die Gründe mehr auf
Reorientierungen der Dipole zurückzuführen sind,
die in den Polymerketten zugegen sind. Elastische Polymere können die
größten Verformungen produzieren,
bis zu 60 % und darüber
hinaus, obwohl Kräfte
entwickelt werden, die niedriger sind als jene von semikristallinen
Polymeren. Die Elektroden, die verwendet werden, um ein elektrisches
Feld an diese Art von Polymeren anzulegen, werden unter Verwendung
bestimmter Materialien und Prozesse erhalten, so dass sie so verformbar
wie möglich
sein werden und die Doppelfunktion des Begünstigens der Verformungen des
Polymers auf der einen Seite und das Vergrößern von ihnen auf der anderen
Seite ausführen,
dank ihrer Ausdehnungsreaktion wegen des Phänomens der Abstoßung der
Ladungen des gleichen Vorzeichens, die darin lokalisiert sind.
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Die
zweifache Wirkung von Kompression und Expansion durch die Elektroden
fügt ihre
eigenen Effekte zu der neutralen Reaktion des Materials hinzu. Aus
diesem Komplex von Effekten folgen dort quadratische Verformungen
als eine Funktion des elektrischen Feldes, das durch das Anlegen
einer Spannung an die Elektroden erzeugt wird, zwischen denen das
fragliche Material eingesetzt ist, genau wie es bei einem Dielektrikum
zwischen den Platten eines Kondensators auftritt.
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Der
elektrostriktive Beitrag, der der zweite Anteil der Formel ist,
die unten gegeben ist, ist folglich proportional zu dem Quadrat
des elektrischen Feldes und ist verschieden von dem ersten Anteil, der
hingegen den piezoelektrischen Beitrag repräsentiert, der proportional
zu dem Feld selbst ist. S = A E + M E2 + andere Beiträge(wobei S = Verformung
in der Richtung des Feldes, A = piezoelektrischer Koeffizient, M
= elektrostriktiver Koeffizient, E = elektrisches Feld).
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Die
sehr hohe dielektrische Durchbruchspannung dieser Materialien macht
es möglich,
das elektrische Feld auf solche Niveaus zu drücken, um Verformungen hervorzurufen,
die in der Literatur als „Riesenverformungen" definiert werden.
Tatsächlich sind
für einige
elektrostriktive Polymere mit niedrigen elastischen Modulen Verformungen
höher als
100 % an Oberfläche
und 80 % in Dicke aufgezeichnet worden, ohne Präjudiz für die entwickelten Kräfte, die von
bescheidenen Ausmaßen
sind. Solche beträchtlichen
Verformungen und Entwicklung von Kräften von einiger Wichtigkeit
sind zwei Qualitäten,
die unmittelbar die Möglichkeit
der Anwendung dieser Polymere in dem Gebiet von Aktuatoren vorschlagen,
und in den letzten Jahren hat Forschung auf einem weltweiten Niveau
eine große
Menge von Anstrengungen auf die Studie von elektrostriktiven Polymeren
und auf Experimentieren mit Aktuatoren, die damit hergestellt sind,
konzentriert.
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Um
größere Kräfte zu erhalten,
kann eine Anzahl von identischen Aktuatoren parallel eingesetzt
werden; um Verschiebungen zu vergrößern, können Aktuatoren in Serie eingesetzt
werden, und das gleiche Kriterium kann verwendet werden, wenn es
das Ziel ist, die Größe des individuellen
Aktuators zu reduzieren. Die herausragenden Eigenschaften von Aktuatoren,
die unter Verwendung solcher Materialien hergestellt sind, sind
Leichtigkeit, kleine Gesamtabmessungen, Einfachheit der Herstellung, Sparsamkeit,
die Gegenwart von einer großen
Anzahl von Variablen, die modifiziert werden kann, um einen extrem
breiten Bereich von Resultaten der Betätigung zu erzielen und- ein
Faktor, der die Ähnlichkeit
zwischen dieser An von Aktuator und menschlichem Muskel sehr nahe
bringt – Maßstabsunabhängigkeit.
Auch wenn unter polymerischen Materialien exzellente Aktuatoren
bereits bekannt sind, wie z.B. piezoelektrische Polymere oder Formgedächtnispolymere
oder elektrochemisch aktive, leitfähige Polymere, die, wie alle
Polymere, Materialien sind, die leicht sind, einfach in irgendeine
Form zu modellieren sind, kostengünstig sind, und welche, die
Eigenschaften aufweisen, die leicht chemisch variiert werden können, elektrostriktive
Polymere (EPs) erzeugen die größten Verformungen,
dessen ungeachtet halten sie exzellente Niveaus von Energiedichte
und beträchtliche
Kräfte
der Betätigung
bei. Dort existieren viele Arten von elektrostriktiven Polymeren,
die auf das Anlegen eines elektrischen Feldes aus verschiedenen
physikalischen Gründen
reagieren. Die erste Kategorie wird repräsentiert durch hauptsächlich semikristalline
Polymere, für
die das Phänomen, dass
der Elektrostriktion zugrunde liegt, vorherrschend die Reorientierung
von Dipolen ist, die in den polymerischen Ketten zugegen sind, wie
es z.B. auftritt mit Polyvinylidenfluorid (PVDF) und einigen seiner
Copolymere, wie z.B. Poly(vinylidenfluorid-Hexafluoropropylen) (P(VDF-HFP)).
Die Materialien zeigen für
den größten Teil
eine steife Konsistenz, in Anbetracht ihrer teilweisen kristallinen
Natur, und, bei einem experimentellen Niveau, zeigen die niedrigsten Verformungen,
selten 3–4
% übersteigend,
Werte, die in jedem Fall beträchtlich
sind. Ihre molekulare Struktur, die durch polymerische Ketten gebildet
wird, die in eine amorphe Matrix eingebettet sind, erbringt die
molekularen Bewegungen, die aktiviert sind durch Beeinflussung mit
elektrischen Feldern, der Hauptfaktor, der verantwortlich ist für die elektrostriktiven
Verformungen. Die Dipole, die in ihren Ketten vorhanden sind, tendieren
tatsächlich
dazu, sich selbst gemäß dem elektrischen
Feld zu orientieren, wodurch Verformungen hervorgerufen werden,
die sich üblicherweise
nicht in gleichem Ausmaß in
Dicke und in Oberfläche
zeigen, da die Ketten weder zueinander ausgerichtet sind noch in
einer planaren Art und Weise im Raum angeordnet sind. Auf der anderen
Seite ist es nicht zufällig,
dass die Verformung dieser Materialien sich beträchtlich erhöht, folgend auf das sogenannte „Vordehnen", das aus einer vorherigen
Ausdehnung der Proben besteht (üblicherweise
in der Form von Filmen) und genau die Funktion hat, die Ketten auszurichten,
die darin zugegen sind, in einer solchen Art und Weise, dass die
??? Beiträge
zur Verformung, die durch das elektrische Feld verursacht werden,
sich so wenig wie möglich auslöschen und
der Effekt der molekularen Bewegungen sich makroskopisch zeigt.
Die zweite Kategorie hingegen umfasst vorwiegend amorphe Polymere
(elektrostriktive Elastomere), welche ohne geordnete kristalline
Strukturen sind und elektrostriktive Verformung vor allem aufgrund
des Coulomb-Phänomens
manifestieren, welches effektiv wirkt dank der besonderen mechanischen
Eigenschaften dieser Materialien. Die Materialien sind hauptsächlich amorphe
Gummis, die exzellente dielektrische Eigenschaften aufweisen, sind
sehr viel verformbarer als die Materialien, die zu der ersten Kategorie
gehören, und
sie sind in der Lage, Verformungen von über 100 % des Oberflächengebietes
zu produzieren. Die Materialien, die am weitesten verbreitet verwendet
werden als elektrostriktive Elastomere sind akrylische Polymere
(Polymethylakrylat, Polymethylmethakrylat), die hierin nachstehend
beschrieben werden, Silikone und Fluorsilikone.
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Da
solche Materialien praktisch keine kristalline Struktur aufweisen,
ist das einzige Phänomen, das
für ihre
elektrostriktiven Verformungen verantwortlich ist, der Effekt der
Coulomb-Anziehung und Abstoßung
zwischen den Ladungen, die in den Elektroden zugegen sind, an die
die Spannung angelegt wird. Im Wesentlichen, da sie gummiartige
Materialien sind, erlauben sie, dass sich die Elektroden einander
annähern,
so eine Quetschwirkung auf das Material ausübend. Weiterhin, da sie hoch
verformbar sind, erlauben sie den Elektroden selbst, sich in Oberfläche unter
der Wirkung der abstoßenden
Kraft zwischen Ladungen des gleichen Vorzeichens, die darin zugegen
sind, auszudehnen, vorausgesetzt, dass die Elektroden selbst wiederum
verformbar oder nachgiebig sind, dies ist ein Ziel, das verfolgt wird,
um Aktuatoren herzustellen, die für große Deformationen geeignet sind.
Die Vergrößerung der Oberfläche der
Elektroden ist weiterhin nicht nur begünstigt durch die Verformbarkeit
des Materials, sondern ist ebenfalls begünstigt durch die natürliche Tendenz
des Materials, selbst zu expandieren, das, gegeben dass es üblicherweise
inkompressibel ist, wenn es in seiner Dicke reduziert wird, sein
eigenes Volumen konstant beibehält,
wobei es seine Oberfläche
vergrößert.
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Der
Coulomb-Effekt, der für
die Materialien der ersten Kategorie zweitrangig war mit Bezug auf die
internen Umordnungen, die in den polymerischen Ketten auftreten,
wird in diesem Fall die Hauptantriebskraft der Elektrostriktion.
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IPMC
hingegen ist nur einer von verschiedenen Namen, die verwendet werden,
um diese speziellen Materialien zu bezeichnen, d.h. Ion-Metallverbünde mit
Abschlüssen,
die in der Lage sind, in polaren Flüssigkeiten zu ionisieren. Eine
der am weitesten verbreiteten benutzten IPMCs ist NAFION®,
hergestellt von Du-Pont,
das als „künstlicher
Muskel" verwendet
wird, nachdem poröse
Elektroden hergestellt wurden, üblicherweise
durch Reduktion von Metallen, auf den Flächen eines Streifens des Verbunds:
die so hergestellten Elektroden weisen eine „dendritische" Struktur auf, die
hoch-durchlässig
für Wasser
oder in jedem Fall für
eine Flüssigkeit
ist. Künstliche
Muskeln führen
hauptsächlich
die Bewegung des Beugens aus (siehe 10). Üblicherweise
sind kommerziell verfügbare
IPMCs in der Form von Blättern
oder Filmen geringer Dicke (weniger als 1 Millimeter), die porös sind und
funktionieren, wenn sie mit einer polaren Flüssigkeit, typischerweise Wasser,
befeuchtet werden.
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Langanhaltende
Befeuchtung kann dadurch erzielt werden, dass sie mit hydrophilen
Oberflächen, die
Flüssigkeiten
zurückhalten,
oder mit dünnen
beschichteten Filmen, die sie beinhalten, versehen werden.
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Die
polare Flüssigkeit
dringt durch die externen Porositäten in die polymerische Struktur
ein, von der die Ketten ein Gitter mit einem Netz bilden, das weit
genug ist, damit sich die Flüssigkeit
einfach hineinbewegen kann, und ionisiert die Anschlüsse, die an
den Enden der polymerischen Ketten zugegen sind. Dies verursacht
die Freisetzung von positiven Ionen, die durch Moleküle des Wassers
solvatiert sind und die initial in der Nachbarschaft der negativen Ionen
verbleiben, die auf den polymerischen Ketten verblieben sind. Das
Anlegen eines elektrischen Feldes verursacht Versetzung der mobilen
positiven Ionen, die sich zu der negativ geladenen Elektrode bewegen,
hinter sich herziehend die Masse der Solvatationsmoleküle. An diesem
Punkt findet ein Beugen statt, was vermutlich aufgrund der folgenden
beiden Gründe
verursacht wird (von dem der erste vorherrschend zu sein scheint):
die Versetzung von Volumina von Wasser, die sich auf nur eine Seite
verlagern (d.h. zu der negativ geladenen Elektrode), und die Wechselwirkung
zwischen den fixierten Ionen, die in den Ketten verbleiben, sowohl
zwischeneinander und mit den mobilen Ionen. Einige mathematische Modelle
sind entwickelt worden, die versuchen, eine Interpretation des Phänomens bereitzustellen;
jedoch existiert dort bisher noch keine vollständige Klarheit über die
exakten Dynamiken, die das Phänomen
beherrschen.
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Leitfähige Polymere
sind Polymere, die, wenn ihre Ionisation variiert, ihre physikalischen
Eigenschaften ändern
und insbesondere ihre Leitfähigkeit,
ihre optischen Eigenschaften (z.B. Farbe) und ihre mechanischen
Eigenschaften und Abmessungen, und sie können folglich, zum großen Vorteil,
sowohl als sensitive Elemente als auch als mechanische Aktuatoren
verwendet werden. Auch wenn sie einige strukturelle Eigenschaften
gemeinsam haben, können
die verschiedenen leitfähigen
Polymere extrem unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. In Anbetracht
ihrer besonderen Eigenschaften sind Polyparaphenylen, Polythiophen,
Poly pyrrol und Polyanalin Gegenstand beträchtlicher Aufmerksamkeit gewesen,
aber es ist Polyacetylen, das als der Prototyp eines leitfähigen Polymers
betrachtet wird und das unzweifelhaft am weitesten studiert wurde.
Gezählt unter
seinen Anwendungen sind: mechanische Sensoren, chemische Sensoren,
Aktuatoren und Display-Systeme neuester Generation. Die starken Punkte
von Aktuatoren sind: die beträchtliche
mechanische Kraft, der hohe erzeugte Druck (10 Mal der eines menschlichen
Muskels) und die geringe benötigte
Spannung (1–5V).
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Wie
oben erwähnt,
sind bereits einige Arten von funktionalen Verbundmaterialien vorgeschlagen worden.
Die Verfahren zum Erzielen von Deformation für eine steife Oberfläche haben
nun für
einige Zeit den Gegenstand von Untersuchungen gebildet und fassen
klassischerweise die Verwendung für Aktuatoren von verschiedenen
Typen ins Blickfeld, extern angewendet und mechanisch verbunden
mit der Oberfläche,
die der Deformation zu unterziehen ist. Systeme dieser Art werden
häufig
in der Luftfahrt zum Bewegen von Klappen oder zum Modellieren von
Flügeln
oder Rotoren angewendet und ermöglichen
exzellentes mechanisches Betriebsverhalten, aber zeigen große Gesamtabmessungen,
große
Gewichte und hohe Kosten, was nicht kompatibel mit automobilen Anwendungen
ist. In dem Folgenden werden einige signifikante Beispiele von Prototypen gegeben,
die durch die mechanische Integration von externen Aktuatoren entwickelt
wurden.
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Eine
erste Studie, koordiniert durch NASA-Forscher, hat die Möglichkeit
der Steuerung von Flügelprofilen
untersucht unter Verwendung von hoch-verformten piezoelektrischen
Aktuatoren (Piezoelektrischer THUNDER-Wafer).
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Mit
dem Ziel, große
Verformungen zu erzielen, haben AMSL-Wissenschaftler, die am MIT
arbeiten, einen Aktuator entwickelt durch Anwendung des Prinzips
des Hebels und durch Verwendung von standard-piezoelektrischen Materialien
(X-Rahmenaktuator).
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Hoch-verformte
piezoelektrische Aktuatoren von der Art, auf die oben Bezug genommen
wurde, sind z.B. in Rotoren von Helikoptern oder Flügeln von Flugzeugen
verwendet worden, mit dem Ziel, das Profil zu modifizieren und so
den Angriffswinkel zu variieren und folglich den Auftrieb.
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Auf
diesem Wege sind dort Ablenkungen erzielt worden von bis zu 5° für eine Klappe
mit einer Weite, die gleich 20 % der Flügeltiefe ist, und einer Länge, die
gleich 90 % der Flügelspanne
ist, so die reale Möglichkeit
aufzeigend, Flügel
mit variablen Profilen durch Verwendung externer Aktuatoren zu konstruieren.
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US-A-5,524,679
offenbart ein Gewebe von strukturellen Fasern und eine Mehrzahl
von aktiven Fäden,
eingewoben mit den strukturellen Fasern. Die aktiven Fäden sind
optische Fasern.
DE
198 29 202 A1 bezieht sich auf ein Mikrosystem mit Formgedächtnismitteln.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein aktives funktionales
Verbundmaterial einer neuen Generation vorzuschlagen, mit Eigenschaften hoher
Effizienz, Zuverlässigkeit
und geringen Produktionskosten, geeignet für einen weiten Bereich von
Anwendungen, vor allem in dem Automobilbereich, z.B. für die Konstruktion
von aktiven, aerodynamischen Oberflächen und Blenden für Hochleistungsmotorfahrzeuge,
Ventilatorschaufeln mit variablem Einfall für Kühlsysteme von Motorfahrzeugmotoren,
aktive Transpirationsgewebe mit variabler Webebindung, z.B. für Sitze
von Motorfahrzeugen, und aktive Oberflächen für Armaturenbretter und Innenverkleidungen
von Motorfahrzeugen. Mit einem Blick, um die obigen und noch weitere
Aufgaben zu lösen, zielt
die Erfindung hauptsächlich
darauf ab, ein aktives Gewebe bereitzustellen, das die Merkmale
von Anspruch 1 umfasst. Das so geformte Gewebe ist ausgelegt, um
in ein Harz eingebettet zu werden und den üblichen Formen von Behandlung
unterworfen zu werden.
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Die
aktiven Fäden
werden unter den Arten ausgewählt,
auf die in Anspruch 1 Bezug genommen ist.
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In
der Erfindung ist das Gewebe mit elektrischen Kontakten versehen,
die mit den aktiven Fäden
verbunden sind und die aus Metallfäden hergestellt sind, eingewoben
in die aktiven Fäden.
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In
dem Fall der bevorzugten Ausführungsform
ist ein Gewebe gemäß der Erfindung
erstellt in der Form eines verlängerten
Streifens mit einer vorherrschenden Längsrichtung. In diesem Fall
können die
aktiven Fäden
parallel zueinander und mit einem Abstand voneinander in der Längsrichtung
vorangeordnet werden, in welchem Fall die elektrischen Kontakte
durch Fäden
gebildet werden, die mit den aktiven Fäden verwoben sind, die quer
zu der Längsrichtung
gesetzt sind. In einer anderen Ausführungsform sind die aktiven
Fäden parallel
zueinander und nebeneinander gesetzt, aber quer zu der Längsrichtung des
Gewebes, während
die elektrischen Kontakte durch Fäden gebildet werden, die die
Enden von zwei benachbarten aktiven Fäden miteinander verbinden, um
so zu einer Verbindung in Serie, parallel oder in Serie von parallelen
Fäden von
allen der aktiven Fäden
zu (ihren. Der Hauptvorteil des Gewebes gemäß der Erfindung liegt in der
Tatsache, dass es in der Lage ist, einen weichen funktionalen Verbund
zu formen, der in der Lage ist, seine Webebindung zu variieren,
folgend auf Anlegung einer externen Anregung, die von einer elektrischen
Art ist. Das Gewebe kann gänzlich
als ein klassisches Gewebe hergestellt werden oder andernfalls selbst
als eine Multischichtstruktur.
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Das
so geformte Gewebe kann in Rollen vorrätig gehalten werden und auf
die gewünschte
Länge geschnitten
werden, um Strukturen von Verbundmaterial bereitzustellen, gemäß den Techniken,
die selbst bekannt sind. Das so erhaltene strukturelle Element wird
in der Lage sein, seine Eigenschaften und insbesondere seine Form
zu variieren, der Art, in der die aktiven Fäden verwendet werden.
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Wie
bereits gesagt wurde, ist die Erfindung hauptsächlich für Anwendungen in dem automobilen Bereich
ausgelegt, z.B. für
aerodynamische Oberflächen
und Leisten in Hochleistungsmotorfahrzeugen oder für Ventilatorschaufeln
mit variablem Einfall für Motorkühlsysteme
oder für
aktive Transpirationsgewebe mit variabler Webebindung für die Sitze
eines Motorfahrzeugs oder für
aktive Oberflächen
für ein Armaturenbrett
und Innenausstattung für
Motorfahrzeuge oder für
irgendein anderes Element eines Motorfahrzeuges, das für die vorgenannte
Anwendung geeignet ist. Die Erfindung kann jedoch zum Vorteil ebenfalls
in anderen industriellen Gebieten eingesetzt werden, z.B. dem Luftfahrtgebiet,
dem häuslichen
Gebiet, dem Kleidungssektor, häuslicher
Klimatisierung, industriellen Kühlsystemen,
usw.
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Der
Vorteil der Verwendung von strukturellen Elementen, die mit dem
Gewebe gemäß der Erfindung
hergestellt sind, liegt in der Tatsache, dass die Elemente das Vorsehen
von Betätigungselementen außerhalb
der strukturellen Elemente nicht benötigen, um die gewünschte Variation
in der Geometrie zu erhalten. Die Herstellung des Materials gemäß der Erfindung
in der Form von Gewebe macht dieses Material weiterhin überaus vielseitig
von dem Standpunkt seiner Möglichkeiten
für Anwendungen.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervorgehen,
welche nur auf dem Weg eines nicht-begrenzenden Beispiels bereitgestellt
sind und in denen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Gewebes gemäß der Erfindung
ist; und
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2 eine
Variante der Ausführungsform aus 1 zeigt.
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Mit
Bezugnahme auf 1 bezeichnet Nummer 1 als
ganzes ein Gewebe, das gemäß der Lehre der
vorliegenden Erfindung hergestellt ist, in der Form eines kontinuierlichen
Streifens, von dem zu jeder Zeit die Teile von Gewebe abgeschnitten
werden können,
die notwendig sind, um eine vorbestimmte Komponente von Verbundmaterial
bereitzustellen. Die Techniken, die verwendet werden können, startend
von dem Gewebe, sind solche, die herkömmlich sind in dem Gebiet der
Verwendung von Verbundmaterialien und insbesondere von Geweben,
die aus Verbundmaterial hergestellt sind.
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In
der Zeichnung bezeichnen die Linien 2 und 3 die
Fäden des
Schusses und der Kette von einem Gewebe, das mit strukturellen Fasern
hergestellt ist, ausgewählt
unter Karbonfasern, Aramidfasern oder Glasfasern. In Geweben mit
Fäden aus Strukturfasern 2, 3 sind
dort ebenfalls aktive Fäden 4 vorgesehen,
die z.B. hergestellt sind aus Formgedächtnismaterial oder sonst aus
elektroaktiven Polymeren. In dem Beispiel, das in 1 gezeigt
ist, erstrecken sich die aktiven Fäden 4 parallel zu
und nebeneinander in der Längsrichtung
des Streifens aus Gewebe, der eine vorbestimmte Weite A und eine
unbestimmte Länge
aufweist, es ist für
die Teile von Gewebe möglich,
die ausgelegt sind, um die strukturellen Komponenten von Interesse
bereitzustellen, auf die gewünschte
Länge geschnitten
zu werden, startend von dein Streifen aus Gewebe 1. Elektrisch
leitfähige
Fäden 5,
z.B. Metallfäden,
sind nur verwoben mit den aktiven Fäden 4. Wie aus 1 gesehen werden
kann, sind diese Fäden
in Gruppen mit einem regelmäßigen Abstand
L entlang des Streifens von Gewebe angeordnet, die Fäden von
jeder Gruppe erstrecken sich parallel zu und nebeneinander in eine Richtung
senkrecht zu der Längsrichtung
des Streifens aus Gewebe. Sobald der benötigte Teil von Gewebe erhalten
worden ist, werden die Fäden 5 elektrische
Kontakte bilden, die das Anlegen einer Spannung an die Enden der
Gruppen von aktiven Fäden 4 ermöglichen,
die sich zwischen den zwei Gruppen der verwendeten leitfähigen Fäden 5 erstrecken.
Natürlich
ist es ebenfalls möglich,
eine Anzahl von Paaren von Gruppen von leitfähigen Fäden 5 zu verwenden,
um die aktiven Fäden
des gewünschten
Teils des Gewebes zu spannen, jeder Faden 5 von jeder Gruppe
von leitfähigen
Fäden kommt
unter einen jeweiligen aktiven Faden 4, so dass die aktiven
Fäden, die zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Gruppen von leitfähigen Fäden 5 beinhaltet sind,
parallel zueinander verbunden sind.
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2 stellt
eine Variante dar, in der die leitfähigen Fäden und die aktiven Fäden 4 parallel
zu und mit einem Abstand voneinander gesetzt sind, in einer Richtung
senkrecht zu der Längsrichtung
des Streifens von Gewebe. Die leitfähigen Fäden 5 sind auf den
beiden länglichen
Kanten des Streifens gesetzt, um so die Enden der transversalen
aktiven Fäden
miteinander abwechselnd auf einer Seite und der anderen Seite des
Streifens zu verbinden, so dass die verschiedenen aktiven Fäden 4 zueinander
in Serie verbunden sind gemäß einem
Serpentinenpfad, die elektrischen Kontakte sind an den Enden des Serpentinenpfades
gesetzt, die eine Längsrichtungslänge L in 2 aufweisen,
wobei sie ausgelegt sind, um mit der elektrischen Versorgung verbunden
zu sein.
-
Es
ist offensichtlich, dass es für
ein und denselben Streifen von Gewebe möglich ist, über hybride Lösungen nachzudenken,
resultierend aus einer Kombination der Lösungen, die oben dargestellt
sind, in einer solchen Art und Weise, um die gewünschten spezifischen Eigenschaften
zu erzielen, die geeignet sind für
die besondere Anwendung von Interesse.
-
Natürlich können, ohne
Präjudiz
der Prinzipien der Erfindung, die Details der Konstruktion und der
Ausführungsformen
stark variieren mit Bezug zu dem, was hierin nur auf dem Wege eines
Beispiels beschrieben und dargestellt ist, ohne dadurch von dem
Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.