WO2008031792A1 - Bauteil mit einer erfassungsstruktur für mechanische beschädigungen - Google Patents

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WO2008031792A1
WO2008031792A1 PCT/EP2007/059464 EP2007059464W WO2008031792A1 WO 2008031792 A1 WO2008031792 A1 WO 2008031792A1 EP 2007059464 W EP2007059464 W EP 2007059464W WO 2008031792 A1 WO2008031792 A1 WO 2008031792A1
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component
conductor
particles
electrical
electrical conductor
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PCT/EP2007/059464
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Arndt
Ursus KRÜGER
Oliver Stier
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to EP07803381A priority patent/EP2062026A1/de
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
    • G01N3/066—Special adaptations of indicating or recording means with electrical indicating or recording means

Definitions

  • the invention relates to a component made of an electrically insulating material with a detection structure for mechanical damage of the component, wherein the detection structure has a permanently connected to the component electrical conductor ter and is adapted in terms of their geometry to the geometry of the component that the mechanical damage of the component is associated with a change in the electrical properties of the electrical conductor.
  • a component of the type described above is described for example in DE 102 23 985 Al.
  • the component is a heat shield plate which is preferably made of Kera ⁇ mik.
  • a continuous thermal DEMANDS ⁇ monitoring the heat shield plate that can be installed for example in a combustion chamber of a gas turbine, there is a
  • a firm connection between the electrical conductor and the component can take place either on the surface of the component, for example by introducing a ceramic conductor onto the surface or into grooves running on the surface and firing it together with the ceramic component.
  • Another possibility is to provide the electrical conductor inside the component.
  • an electrically conductive material may be looped housed inside a heat shield plate by the loop is inserted in the preparation of the green body in this turned ⁇ .
  • Mica can be provided with an electrically conductive layer of silver and can be used in an organopolysiloxane compound. This results in a thermosetting composite material which develops after curing electrically conductive properties. Due to the crystal structure of the mica, the mica particles are particles which have strongly anisotropic mechanical properties.
  • the object of the invention is to provide a component with egg ⁇ nem electrical conductor as a detection structure for damage in which the electrical conductor reacts relatively sensitive to damage.
  • This object is achieved with the above-mentioned component, in which the electrical conductor is formed by mutually contacting particles having a metallic surface, he ⁇ inventively solved by the measures described in more detail below that particles with a metallic shell and one of the component properties adapted core can be used.
  • a conduction of the electrical conductor is thus attributable to the fact that the particles with the metallic surface touch one another so that an exchange of electrons can take place between the particles with the metallic surface.
  • the event of damage to the component specifically to ⁇ a crack growth intersecting the electrical conductor
  • the line resistance of the electrical conductor is changed relatively strong.
  • the electrical conductor In the production of the electrical conductor from the particles with a metallic surface, it may result due to the Her ⁇ provisioning process to a melting of the metallic surface-forming metal, so that the association of particles which form the electrical conductor, is strengthened. However, at the transition points between the now intimately connected particles, the sensitivity of the electrical conductor produced to mechanical stresses remains increased. It is also possible that the metallic surface of the particles will not be melted at ⁇ the manufacture of the component. This is the case when the melting point of the metal used is above the temperatures encountered in the manufacture of the component. For plastic components is this would be the case with the majority of metals. For ceramic components which must be subjected to an annealing treatment, suitable refractory metals such as tungsten may be used.
  • the particles consist of an electrically insulating core with a metallic shell.
  • a structure of the electric generated even at a melting the metal conductor is formed which is not of solid construction, but has in addition to the space formed between the particles pores also sections which filled by the electrically iso ⁇ -regulating core material of the particles are.
  • the ⁇ devel- herein by resulting sponge-like structure of the conductor disgusted advantageously also has a special sensitivity to mechanical damage.
  • the core is made of a material that is adapted to the behavior of the material of the component with respect to its mechanical behavior, in particular its thermal expansion behavior.
  • thermally stressed components such as heat shield plates
  • this has the advantage that electrical conductors laid in the interior of the component have a thermal expansion behavior adapted to the thermal expansion behavior of the surrounding component.
  • stresses can be avoided, which would occur by a different thermal expansion of two different materials and could result in a mechanical overuse of the component.
  • metallic materials have a higher coefficient of thermal expansion than ceramic components, which makes it difficult to use metallic conductors in ceramic heat shield plates.
  • the particles are present mixed with the metallic surface in the electrical conductor with particles consisting entirely of an electrically insulating material, in particular of the material of the component.
  • the metal will fill ⁇ further decreased degree in the electrical conductor.
  • the pores between the particles or possibly non-metallic cores of the particles are then in electrical ter also partial areas, which are formed by the completely consisting of ei ⁇ nes electrically insulating material particles.
  • an application of the detection structural ⁇ structure is particularly advantageous if the to be detected mechanical damage is the formation of cracks in the component, wherein the conductor extends in this case such that it is cut through the material to he ⁇ waiting crack growth. It is thereby advantageously achieved that the crack growth, when it has arrived at the surface of the conductor, begins to split it, preferably at right angles to its course, whereby the highest possible change in the electrical properties of the conductor is produced in relation to the progressive crack growth. It thereby becomes possible to achieve a change in electrical characteristics as soon as the crack on the conductor serving as the detection structure has arrived and then progresses further.
  • the conductor runs parallel to the surface of the component. This takes into account the fact that cracks in the components usually propagate from the surface into the interior of the component and thus lead to a progressive mechanical weakening of the relevant component cross-section. The crack growth ends with a mechanical failure of the component, wherein the detection structure to prevent the component failure. If the conductors are laid parallel to the surface of the component, then it should be noted that a separation the conductor is due to a crack growth before the crack leads to a component failure.
  • the electrical conductors may regard the property to check, for example, was the electrical resistance, evaluated by an electrical contact ⁇ to.
  • a direct or alternating current can be sent through the electrical conductor, which allows the determination of the resistance.
  • Another way to determine the properties of the electrical conductor is contactless.
  • an electro ⁇ magnetic excitation is generated in the high frequency range, which leads to a response of the relevant conductor. This can be detected without contact, for example by means of an antenna.
  • it is advantageous if the course of independent conductors is designed in such a way that they produce spectral signatures which can be distinguished from one another in the case of high-frequency electromagnetic excitation.
  • spectral signature of one of the conductors is in connection with the invention a understood mathematical function, in which the response of the electrical conductor is determined with respect to the considered electrical property as a function of a frequency spectrum of the excitation.
  • the conductor has a loop-shaped course. This can advantageously along the edge of a building ⁇ part flat expression, such. B. a heat shield plate are laid. Additionally, by using conductors having a loop-shaped course, produce particularly good charac teristic ⁇ signatures for a high frequency excitation, which is a sawn by separating the loop in the case of agreed to change crack growth in a slightly detectable manner.
  • FIG. 2 shows the top view of a heat shield plate as another embodiment of the erfindungsge ⁇ MAESSING component
  • Figure 5 and 6 different embodiments for e- lectric conductor, as they can be used in the fiction, ⁇ part used as partial cutouts.
  • a member 11 according to Figure 1 is designed as a heat shield plate at ⁇ playing manner for the combustion chamber of a gas turbine.
  • This component has a front side 12 facing the combustion chamber, which is most exposed to the thermal stress caused by the combustion process, and a rear side 13, with which it can be fastened in a manner not shown to the wall of the combustion chamber.
  • the component 11 is made of Ke ⁇ ramik.
  • electrical Ladder 14a laid, which may have a not visible in the illustration of Figure 1 loop-shaped course.
  • These conductors 14 a have an electrical connection 15 to the rear side 13 of the component 11, which surfaces can be electrically contacted via contact surfaces 16.
  • a further conductor 14 b is housed, which also forms a non-illustrated loop on the back 13. Furthermore, a raised conductor 14c is formed on the surface of the component formed by the rear side 13, which also runs loop-shaped.
  • the conductors 14b and 14c also have contact surfaces 16 for contacting them. Since the contact areas on the back side 13 of the component are integrally ⁇ assigns 11 and the thermal stress on the Maisflä ⁇ chen 16 can be kept within limits, a Maisie- tion is the built-in heat shield plate also during loading ⁇ drive possible.
  • Figure 2 shows a possible loop-shaped course of the conductors 14a, 14b with a constant distance from the edge of the plate-shaped member 11. It can be further seen as a progressive crack growth of the cracks 18 successively first cut the outer loop 14a and then the inner loop 14b.
  • the conductors 14a, 14b according to FIG. 2 are designed as induction loops, ie they have no contact surfaces 16 and are designed to be closed.
  • the electrical conductors 14 may consist of metallic particles 21 or of particles 22 consisting of a non-metallic core 23 and a metallic shell 24.
  • further particles 25 of electrically insulating material may be provided in the conductors 14.
  • the component 11, which is shown only as an adjoining the electrical conductor 14 portion is connected to the conductor 14 fixedly connected, wherein the respective transition between the component 11 and conductor 14 facing section according to Figure 3 to 6 all possible arrangements of the ladder 14a, 14b or 14c on the component can represent.
  • the particles 21, 22, 25 used can be designed as microparticles (ie with dimensions of approximately 0.1 to 500 ⁇ m) or as nanoparticles (ie with dimensions of at most 100 nm).
  • the electrical conductor 14 according to FIG. 3 is formed from metallic particles 21.
  • the particles 21 are made of solid metal.
  • Adjacent particles 21 berüh ⁇ ren respectively located at points of contact 26, wherein voids between the particles 27 reduce the effective conductor cross-section of the electrical conductor 14 and the sensitivity of to damage the conductor 14 raised stabili ⁇ hen for example, by a propagating crack growth in the component. 11
  • the component 11 consists for example of plastic, wherein the particles 21 are poured into these. In the associated manufacturing process temperatures that are insufficient to melt the particles 21. Therefore, the contact points of the adjacent particles remain hold ER without causing a cohesive connection Zvi ⁇ rule forming the adjacent particles 21st
  • the component 11 according to FIG. 4 consists of a ceramic and could, for example, form a heat shield plate.
  • Metallic particles 21 are again used as the electrical conductor 14, wherein these were melted at least on their surface due to the heat treatment associated with the production of the component 11 and therefore have formed a cohesive connection 28 with respect to one another. In this case, however, cavities 27 can remain between the fused particles 21.
  • metallic particles 21 Furthermore, in addition to the metallic particles 21, further particles 25 made of the same ceramic material as the component 11 have been used to form the structure of the electrical conductor 14. These may be enclosed, for example, by the metallic particles 21 or may also be joined to the material of the component 11 at the boundary to the component 11 by the heat treatment that has taken place. The edges of ceramic particles 29, which form the structure of the component 11, are also indicated.
  • FIG. 4 also shows that the further particles 25 in the material of the conductor 14 can only be obtained in one of the may be given to the metallic particles 21 such concentration that the metallic particles 21 reliably form a coherent structure. Only the ⁇ se manner can prove to dash dot line indicated electrical conduction pathways train 30, the electrical conductivity of the conductor 14 provides leis ⁇ th in electrical conductors 14th
  • the electrical conductor 14 according to FIG 5 for leadership of the electric current particles 22 are used which consist each ⁇ wells of a metallic shell 24 and an electrically insulating core 23rd Furthermore, further particles 25 may be provided, which consist of the material of the construction ⁇ part 11.
  • the cores 23 of the particles 22 may consist of this material.
  • the metallic material of the shell 24 is sufficiently temperaturbe ⁇ constantly that this is not melted by the component 11 forming heat ⁇ treatment. As a result, the particles 22 are in the unmelted state, as described for FIG. 3, so that only points of contact 26 result in the formation of the guide paths 30.
  • the use of the material of the component 11 for the further particles 25 and the cores 23 has the advantage that the conductor 14 shows a behavior strongly matched to the thermal expansion behavior of the component 11 when the component 11 is subject to thermal stress.
  • the stresses occurring in the electrical conductor 14 are the heating of the thermal expansions construction ⁇ part 11 therefore occurring th kept low, so that a change in the electrical properties of the conductor 14 due to a mechanical stress thereof only occurs if the component 11 example ⁇ is damaged by the formation of a crack.
  • the electrical conductor 14 according to Figure 6 also consists of particles 22 having a core 23 and a shell 24.
  • the envelopes 24 of the particles 22 were melted, so that at the same time forming cavities 27 a cohesive compound 28 of me - Has resulted in the formation of the electrical conductor - metallic material.
  • the effective cross section of the conductor 14 in this case is reduced mainly by the cores 23, but also by the cavities 27.
  • the cores 23 are not made of the same material as the component 11. However, the material of the cores 23 is adapted to the component 11 with regard to the thermal expansion behavior. This makes it possible to achieve the temperature insensitivity of the electrical conductor described with reference to FIG. 5 with respect to an undesired change in its electrical properties due to a mechanical overstress.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (11) aus elektrisch isolierendem Material, in dem eine als Leiter (14a, 14b, 14c) ausgeführte Erfassungsstruktur für mechanische Beschädigungen wie Risse (18) vorgesehen ist. Diese Erfassungseinrichtung ändert ihre elektrischen Eigenschaften bei einer fortschreitenden Rissbildung (Pfeil 20), sodass das Bauteil (11) rechtzeitig vor einem Versagen ausgewechselt werden kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der elektrische Leiter durch sich einander berührende Partikel mit einer metallischen Oberfläche gebildet ist. Hierdurch wird ein elektrischer Leiter erzeugt, der vorteilhaft besonders empfindlich gegenüber mechanischen Beschädigungen ist, wodurch eine hohe Empfindlichkeit der Erfassungsstruktur (14a, 14b, 14c) erreicht werden kann. Ist die metallische Oberfläche lediglich durch eine Umhüllung der Partikel erzeugt und das Partikelinnere aus dem Material des Bauteils (11), so kann außerdem ein im Wärmeausdehnungsverhalten angepasster Leiter für thermisch stark beanspruchte Bauteile (11) wie z. B. Hitzeschildplatten erzeugt werden.

Description

Beschreibung
Bauteil mit einer Erfassungsstruktur für mechanische Beschä¬ digungen
Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer Erfassungsstruktur für mechanische Beschädigungen des Bauteils, wobei die Erfassungsstruktur einen mit dem Bauteil fest verbundenen elektrischen Lei- ter aufweist und hinsichtlich ihrer Geometrie derart an die Geometrie des Bauteils angepasst ist, dass die mechanische Beschädigung des Bauteils mit einer Änderung der elektrischen Eigenschaften des elektrischen Leiters verbunden ist.
Ein Bauteil der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise in der DE 102 23 985 Al beschrieben. Bei dem Bauteil handelt es sich um eine Hitzeschildplatte, welche bevorzugt aus Kera¬ mik hergestellt ist. Durch eine ständige thermische Beanspru¬ chung der Hitzeschildplatte, die beispielsweise in einem Brennraum einer Gasturbine eingebaut sein kann, besteht die
Gefahr, dass diese durch Alterungsprozesse mechanisch beschä¬ digt wird. Die mechanische Beschädigung besteht normalerweise in der Ausbildung von Rissen in dem spröden Material, welche bei fortschreitender Betriebsdauer zu wachsen beginnen. Hat das Risswachstum ein bestimmtes Stadium erreicht, so wird hierdurch die Zuverlässigkeit der Hitzeschildplatte in nicht mehr hinnehmbarer Weise eingeschränkt, da diese sich bei¬ spielsweise aus ihrer Verankerung lösen könnte. Um diesen Zeitpunkt erfassen zu können, wird eine Erfassungsstruktur für die mechanische Beschädigung des Bauteils vorgesehen. Eine Anpassung der Geometrie dieser Erfassungsstruktur an die Geometrie des Bauteils bewirkt, dass die durch einen elektri¬ schen Leiter ausgebildete Erfassungsstruktur bei der Rissbildung derart beschädigt wird, dass sich ihre elektrischen Ei- genschaften, insbesondere ihre elektrische Leitfähigkeit än¬ dern. Diese Änderung kann als Charakteristikum für eine unzulässig weit fortgeschrittene Rissbildung herangezogen werden, wobei eine Auswertung elektrischer Signale der Erfassungs- struktur eine Entscheidung ermöglicht, wann eine Hitzeschild¬ platte ausgewechselt werden muss.
Eine feste Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter und dem Bauteil kann entweder auf der Oberfläche des Bauteils er- folgen, indem beispielsweise ein keramischer Leiter auf die Oberfläche oder in an der Oberfläche verlaufenden Nuten eingebracht und mit dem keramischen Bauteil zusammen gebrannt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den elektrischen Leiter im Inneren des Bauteils vorzusehen. Beispielsweise kann ein elektrisches Leitmaterial schleifenförmig im Inneren einer Hitzeschildplatte untergebracht werden, indem die Schleife bei der Herstellung des Grünkörpers in diesen einge¬ legt wird.
Gemäß der EP 300 380 Al ist es bekannt, dass Partikel aus
Glimmer mit einer elektrisch leitfähigen Schicht von Silber versehen werden können und in einer Organopolysiloxan- Verbindung Verwendung finden können. Hierdurch entsteht ein warmaushärtbares Verbundmaterial, welches nach Aushärten elektrisch leitfähige Eigenschaften entwickelt. Bei den Glimmerpartikeln handelt es sich aufgrund der Kristallstruktur des Glimmers um Partikel, welche stark anisotrope mechanische Eigenschaften aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bauteil mit ei¬ nem elektrischen Leiter als Erfassungsstruktur für Beschädigungen anzugeben, bei dem der elektrische Leiter auf Beschädigungen vergleichsweise empfindlich reagiert. Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Bauteil, bei dem der elektrische Leiter durch einander sich berührende Partikel mit einer metallischen Oberfläche gebildet ist, er¬ findungsgemäß durch die nachfolgend näher beschriebenen Maß- nahmen gelöst, dass Partikel mit einer metallischen Hülle und einem an die Bauteileigenschaften angepassten Kern verwendet werden .
Eine Leitung des elektrischen Leiters kommt somit dadurch zu- stände, dass die Partikel mit der metallischen Oberfläche einander berühren, sodass zwischen den Partikeln mit der metallischen Oberfläche ein Austausch von Elektronen stattfinden kann. An den Berührungsflächen der Partikel entstehen hierbei gewollt besonders empfindliche Bereiche des elektri- sehen Leiters, die bei einer Beschädigung des Bauteils (ins¬ besondere einem Risswachstum, der den elektrischen Leiter schneidet) zu einer signifikanten Veränderung der elektrischen Eigenschaften des elektrischen Leiters führt. Insbesondere wird der Leitungswiderstand des elektrischen Leiters verhältnismäßig stark verändert.
Bei der Herstellung des elektrischen Leiters aus den Partikeln mit metallischer Oberfläche kann es auf Grund des Her¬ stellungsprozesses zu einem Aufschmelzen des die metallische Oberfläche bildenden Metalles führen, sodass der Verband von Partikeln, die den elektrischen Leiter bilden, gefestigt wird. Jedoch bleibt an den Übergangsstellen zwischen den nun innig verbundenen Partikeln die Empfindlichkeit des erzeugten elektrischen Leiters gegenüber mechanischen Beanspruchungen erhöht. Es ist auch möglich, dass die metallische Oberfläche der Partikel bei der Herstellung des Bauteils nicht aufge¬ schmolzen wird. Dies ist der Fall, wenn der Schmelzpunkt des verwendeten Metalls über den bei der Herstellung des Bauteils auftretenden Temperaturen liegt. Bei Kunststoffbauteilen wird dies bei der Mehrzahl der Metalle der Fall sein. Bei keramischen Bauteilen, die zur Herstellung einer Temperbehandlung unterzogen werden müssen, können geeignete hochschmelzende Metalle wie beispielsweise Wolfram verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Partikel aus einem elektrisch isolierenden Kern mit einer metallischen Hülle bestehen. Hierdurch wird erreicht, dass auch bei einem Aufschmelzen des Metalls eine Struktur des erzeugten elektri- sehen Leiters entsteht, die nicht massiv ausgebildet ist, sondern neben den zwischen den Partikeln gebildeten Poren auch Teilbereiche aufweist, welche durch das elektrisch iso¬ lierende Kernmaterial der Partikel ausgefüllt sind. Die hier¬ durch entstehende schwammartige Struktur des Leiters entwi- ekelt vorteilhaft auch eine besondere Empfindlichkeit gegen mechanische Beschädigungen.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kern aus einem Material besteht, dass bezüglich seines mechanischen Verhaltens, insbesondere seines Wärmeausdehnungsverhaltens, an das Verhalten des Materials des Bauteils angepasst ist. Insbesondere bei thermisch beanspruchten Bauteilen wie Hitzeschildplatten ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass im Inneren des Bauteils verlegte elektrische Leiter ein an das Wärmeausdehnungsverhalten des umgebenden Bauteils angepasstes Wärmeausdehnungsverhalten aufweisen. Hierdurch können Spannungen vermieden werden, die durch eine unterschiedliche Wärmedehnung zweier verschiedener Materialien auftreten würden und eine mechanische Überbeanspruchung des Bauteils zur Folge haben könnten. Im allgemeinen weisen metallische Werkstoffe beispielsweise einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als keramische Bauteile auf, was die Verwendung metallischer Leiter in Hitzeschildplatten aus Keramik erschwert. Neben einer Beanspruchung des Bauteils wird nämlich durch eine unter- schiedliche Wärmeausdehnung von Bauteil und elektrischem Leiter auch das mittels des elektrischen Leiters zu erzeugende Messergebnis verfälscht, wenn dieser durch die auftretenden Spannungen verformt wird. Durch eine Anpassung des Wärmeaus- dehnungsverhaltens von elektrischem Leiter und Bauteil kann somit auch die Empfindlichkeit des Messverfahrens insofern verbessert werden, dass die Möglichkeit auftretender Messfeh¬ ler verringert wird. Besonders vorteilhaft ist es, das Mate¬ rial des Kerns identisch mit dem Material des Bauteils zu wählen, da hierdurch eine weitestgehend mögliche Anpassung der mechanischen Eigenschaften des elektrischen Leiters und des umgebenden Bauteils erzeugt werden kann.
Selbstverständlich gilt das oben Angeführte auch für elektri- sehe Leiter, die auf der Oberfläche des Bauteils angebracht sind. Hier können unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffi¬ zienten sogar zu einem Abplatzen des elektrischen Leiters von der Oberfläche führen, wodurch die Erfassungsstruktur für mechanische Beschädigungen vollständig zerstört würde. Hier- durch könnte beispielsweise eine Fehlinformation entstehen, die dahin interpretiert würde, dass eine Beschädigung des Bauteils, insbesondere ein Fortschreiten des Risswachstums ein Grad erreicht hat, der einen Austausch des Bauteils er¬ fordert .
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Partikel mit der metallischen Oberfläche in dem elektrischen Leiter mit vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus dem Material des Bau- teils bestehenden Partikeln gemischt vorliegen. Hierdurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass der metallische Füll¬ grad im elektrischen Leiter weiter herabgesetzt wird. Neben den Poren zwischen den Partikeln bzw. eventuell nicht metallischen Kernen der Partikel liegen dann im elektrischen Lei- ter auch Teilbereiche vor, die durch die vollständig aus ei¬ nem elektrisch isolierenden Material bestehenden Partikel gebildet werden. Durch die Verringerung des Füllgrades an metallischem Material in dem elektrischen Leiter wird dieser nach dem bereits beschriebenen Mechanismus vorteilhaft noch empfindlicher gegen mechanische Beschädigungen. Hierdurch wird die Empfindlichkeit der Erfassungsstruktur weiter gesteigert .
Wie bereits erläutert ist eine Anwendung der Erfassungsstruk¬ tur besonders vorteilhaft, wenn die zu erfassende mechanische Beschädigung eine Rissbildung im Bauteil ist, wobei der Leiter in diesem Fall derart verläuft, dass er durch das zu er¬ wartende Risswachstum geschnitten wird. Hierdurch wird vor- teilhaft erreicht, dass das Risswachstum, wenn es an der O- berfläche des Leiters angekommen ist, diesen vorzugsweise rechtwinklig zu dessen Verlauf zu spalten beginnt, wodurch im Verhältnis zum fortschreitenden Risswachstum die höchstmögliche Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Leiters erzeugt wird. Es wird hierdurch möglich, eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften zu erreichen, sobald der Riss an dem Leiter, der als Erfassungsstruktur dient, angekommen ist und dann weiter fortschreitet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Leiter parallel zur Oberfläche des Bauteils verläuft. Hierbei wird dem Umstand Rechnung getragen, dass sich Risse in den Bauteilen gewöhnlich von der Oberfläche ausgehend in das Bauteilinnere hinein fortpflanzen und so zu einer fortschreitenden mechanischen Schwächung des betreffenden Bauteilquerschnitts führen. Das Risswachstum endet mit einem mechanischen Versagen des Bauteils, wobei die Erfassungsstruktur das Bauteilversagen verhindern soll. Werden die Leiter parallel zur Oberfläche des Bauteils verlegt, so ist also zu beachten, dass ein Trennen der Leiter auf Grund eines Risswachstums erfolgt, bevor der Riss zu einem Bauteilversagen führt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere voneinander unab- hängige Leiter vorgesehen sind, die in unterschiedlichen Abständen parallel zur Oberfläche verlaufen. Hierdurch kann erreicht werden, dass nicht nur ein rechtzeitiges Auswechseln des Bauteils vor einem Versagen desselben gewährleistet ist, sondern auch in einem früheren Stadium der Rissausbreitung Erkenntnisse über den Zustand des Bauteils gewonnen werden können. Bei einem Vorliegen von voneinander unabhängigen Leitern wird das fortschreitende Risswachstum mit zunehmendem Abstand der Rissausbreitungsfront von der Oberfläche nachein¬ ander benachbarte unabhängige Leiter erreichen, wodurch Aus- sagen über den aktuellen Verlauf der Rissausbreitungsfront ermöglicht werden.
Die elektrischen Leiter können hinsichtlich der zu überprüfenden Eigenschaft, beispielsweise dem elektrischen Wider- stand, durch eine elektrische Kontaktierung ausgewertet wer¬ den. In diesem Fall kann beispielsweise ein Gleich- oder Wechselstrom durch den elektrischen Leiter geschickt werden, was die Ermittlung des Widerstandes ermöglicht . Eine andere Möglichkeit, die Eigenschaften des elektrischen Leiters zu ermitteln, erfolgt berührungslos. Hierbei wird eine elektro¬ magnetische Anregung im Hochfrequenzbereich erzeugt, welche zu einer Antwort des betreffenden Leiters führt. Diese kann beispielsweise mittels einer Antenne berührungslos erfasst werden. Bei dieser Ausgestaltung der Erfassungsstruktur ist es vorteilhaft, wenn der Verlauf von unabhängigen Leitern derart ausgebildet ist, dass diese bei der hochfrequenten e- lektromagnetischen Anregung voneinander unterscheidbare spektrale Signaturen erzeugen. Unter der spektralen Signatur eines der Leiter wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine mathematische Funktion verstanden, bei der die Antwort des elektrischen Leiters hinsichtlich der betrachteten elektrischen Eigenschaft in Abhängigkeit von einem Frequenzspektrum der Anregung ermittelt wird. Um in diesem Anregungsbereich unterscheidbare spektrale Signaturen erzeugen zu können, ist es notwendig, die elektrischen Eigenschaften der unterschiedlichen voneinander unabhängigen Leiter zu variieren. Dies kann erreicht werden beispielsweise durch den Verlauf der Leiter in dem Bauteil, durch die Dicke der Leiter und durch die Wahl des Leitermaterials, wobei auch die Anordnung der
Partikel in der bereits beschriebenen Weise zu einer Variati¬ on der elektrischen Eigenschaften beitragen kann. Wenn die voneinander unabhängigen Leiter hinsichtlich ihrer spektralen Signatur unterscheidbar sind, wird es vorteilhaft möglich, die Änderungen der elektrischen Eigenschaften eines bestimmten dieser Leiter festzustellen, da eine Veränderung ihrer spektralen Signatur ihm zweifelsfrei zugeordnet werden kann. Andererseits darf die mechanische Beschädigung eines Leiters, insbesondere dessen Auftrennung durch die Rissbildung in dem Bauteil die spektrale Signatur dieses Leiters nicht soweit verfremden, dass die veränderte Signatur des Leiters nicht mehr genügend Unterscheidungskraft von den Signaturen der an¬ deren Leiter aufweist. In diesem Falle ginge die Ortsinforma¬ tion verloren.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Leiter einen schleifenförmigen Verlauf aufweist. Dieser kann vorteilhaft entlang des Randes eines Bau¬ teils flacher Ausprägung, wie z. B. einer Hitzeschildplatte, verlegt werden. Außerdem lassen sich mit Leitern, die einen schleifenförmigen Verlauf aufweisen, besonders gut charakte¬ ristische Signaturen für eine Hochfrequenzanregung erzeugen, welche sich durch Trennen der Schleife im Falle eines be- stimmten Risswachstums auch in leicht nachweisbarer Weise verändern .
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den Figuren mit jeweils den glei¬ chen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figu¬ ren ergeben. Es zeigen
Figur 1 eine Hitzeschildplatte als Ausführungsbei¬ spiel des erfindungsgemäßen Bauteils im Querschnitt,
Figur 2 die Aufsicht auf eine Hitzeschildplatte als anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsge¬ mäßen Bauteils,
Figur 3 und 4 elektrische Leiter nach dem Stand der Technik und
Figur 5 und 6 unterschiedliche Ausführungsbeispiele für e- lektrische Leiter, wie sie in dem erfindungs¬ gemäßen Bauteil zum Einsatz kommen können, als Teilausschnitte.
Ein Bauteil 11 gemäß Figur 1 ist als Hitzeschildplatte bei¬ spielsweise für den Brennraum einer Gasturbine ausgebildet. Dieses Bauteil hat eine der Brennkammer zugewandte Vordersei- te 12, die der thermischen Beanspruchung durch den Brennpro- zess am stärksten ausgesetzt ist, und eine Rückseite 13, mit der sie in nicht näher dargestellter Weise an der Wand der Brennkammer befestigt werden kann. Das Bauteil 11 ist aus Ke¬ ramik gefertigt. Im Inneren des Bauteils sind elektrische Leiter 14a verlegt, die einen in der Darstellung gemäß Figur 1 nicht erkennbaren schleifenförmigen Verlauf aufweisen können. Diese Leiter 14a weisen eine elektrische Verbindung 15 zur Rückseite 13 des Bauteils 11 auf, welche über Kontaktflä- chen 16 elektrisch kontaktierbar sind. In einer Nut 17 ist ein weiterer Leiter 14b untergebracht, der auf der Rückseite 13 ebenfalls eine nicht näher dargestellte Schleife bildet. Weiterhin ist auf der durch die Rückseite 13 gebildeten Oberfläche des Bauteils ein erhabener Leiter 14c ausgebildet, der ebenfalls schleifenförmig verläuft. Auch die Leiter 14b und 14c weisen Kontaktflächen 16 zu deren Kontaktierung auf. Da die Kontaktflächen auf der Rückseite 13 des Bauteils 11 ange¬ ordnet sind und die thermische Beanspruchung der Kontaktflä¬ chen 16 in Grenzen gehalten werden kann, ist eine Kontaktie- rung der eingebauten Hitzeschildplatte auch während des Be¬ triebes möglich.
Der Schnitt gemäß Figur 1 verläuft weiterhin genau durch ei¬ nen Riss 18, der sich mit einer Rissfront 19 in Richtung des Pfeils 20 im Bauteil 11 ausbreitet. Hierbei wurde der äußers¬ te der Leiter 14a bereits durchtrennt, sodass bei einer e- lektrischen Kontaktierung dieses Leiters kein Stromkreis mehr geschlossen werden kann. Da die Leiter 14a, 14b, 14c alle parallel zur Oberfläche, gebildet aus der Vorderseite 12 des Bauteils, verlaufen, ist durch den Ausfall des ersten Leiters 14a ein indirekter Rückschluss auf den Rissfortschritt mög¬ lich. Durch ein weiteres Risswachstum werden nacheinander auch der weitere Leiter 14a, der Leiter 14b und zuletzt der Leiter 14c durchtrennt.
Figur 2 zeigt einen möglichen schleifenförmigen Verlauf der Leiter 14a, 14b mit einem konstanten Abstand zum Rand des plattenförmigen Bauteils 11. Es ist weiter zu erkennen, wie ein fortschreitendes Risswachstum der Risse 18 nacheinander erst die äußere Schleife 14a und dann die innere Schleife 14b durchtrennt. Anders als in Figur 1 sind die Leiter 14a, 14b gemäß Figur 2 als Induktionsschleifen ausgeführt, d. h. sie weisen keine Kontaktflächen 16 auf und sind geschlossen aus- geführt.
Den Figuren 3 bis 6 lässt sich entnehmen, dass die elektrischen Leiter 14 aus metallischen Partikeln 21 oder aus Partikeln 22, bestehend aus einem nichtmetallischen Kern 23 und einer metallischen Hülle 24 bestehen können. Zusätzlich können weitere Partikel 25 aus einem elektrisch isolierenden Material in den Leitern 14 vorgesehen werden. Das Bauteil 11, welches nur als an den elektrischen Leiter 14 angrenzender Teilbereich dargestellt ist, ist mit dem Leiter 14 fest ver- bunden, wobei der den jeweiligen Übergang zwischen Bauteil 11 und Leiter 14 zeigende Ausschnitt gemäß Figur 3 bis 6 alle möglichen Anordnungen der Leiter 14a, 14b oder 14c auf dem Bauteil repräsentieren kann.
Im Folgenden sollen unterschiedliche Strukturen der aus Partikeln 21, 22, 25 bestehenden Leiter genauer erläutert werden, wobei sich für den Fachmann ersichtliche weitere Kombi¬ nationen aus den in den Figuren erläuterten Varianten ergeben. Die verwendeten Partikel 21, 22, 25 können als Mikropar- tikel (d. h. mit Abmessungen von ca. 0,1 bis 500 μm) oder als Nanopartikel (d. h. mit Abmessungen von höchstens 100 nm) ausgeführt sein.
Der elektrische Leiter 14 gemäß Figur 3 ist aus metallischen Partikeln 21 gebildet. Dies bedeutet, dass die Partikel 21 aus massivem Metall bestehen. Benachbarte Partikel 21 berüh¬ ren sich jeweils an Berührungsstellen 26, wobei Hohlräume 27 zwischen den Partikeln den effektiven Leiterquerschnitt des elektrischen Leiters 14 vermindern und so die Empfindlichkeit gegenüber einer Beschädigung des Leiters 14 beispielsweise durch ein sich ausbreitendes Risswachstum im Bauteil 11 erhö¬ hen .
Das Bauteil 11 besteht beispielsweise aus Kunststoff, wobei die Partikel 21 in diesen eingegossen sind. Bei dem hiermit verbundenen Herstellungsprozess entstehen Temperaturen, die zu einem Anschmelzen der Partikel 21 nicht ausreichen. Daher bleiben die Berührungsstellen der benachbarten Partikel er- halten, ohne dass sich eine Stoffschlüssige Verbindung zwi¬ schen den benachbarten Partikeln 21 ausbildet.
Das Bauteil 11 gemäß Figur 4 besteht aus einer Keramik und könnte beispielsweise eine Hitzeschildplatte bilden. Als e- lektrischer Leiter 14 kommen wieder metallische Partikel 21 zum Einsatz, wobei diese auf Grund der mit der Herstellung des Bauteils 11 verbundenen Wärmebehandlung zumindest an ihrer Oberfläche aufgeschmolzen wurden und deswegen eine stoffschlüssige Verbindung 28 zueinander ausgebildet haben. Hier- bei können dennoch Hohlräume 27 zwischen den verschmolzenen Partikeln 21 verbleiben.
Weiterhin sind neben den metallischen Partikeln 21 weitere Partikel 25 aus demselben keramischen Material wie das Bau- teil 11 zur Ausbildung der Struktur des elektrischen Leiters 14 zur Anwendung gekommen. Diese können beispielsweise durch die metallischen Partikel 21 eingeschlossen sein oder auch an der Grenze zum Bauteil 11 durch die erfolgte Wärmebehandlung Stoffschlüssig mit dem Material des Bauteils 11 verbunden sein. Angedeutet sind auch die Ränder von keramischen Partikeln 29, welche das Gefüge des Bauteils 11 bilden.
Der Figur 4 lässt sich weiterhin entnehmen, dass die weiteren Partikel 25 in dem Material des Leiters 14 nur in einer der- artigen Konzentration zu den metallischen Partikeln 21 gegeben werden dürfen, dass die metallischen Partikel 21 zuverlässig eine zusammenhängende Struktur ausbilden. Nur auf die¬ se Weise können sich im elektrischen Leiter 14 als Strich- punktlinie angedeutete elektrische Leitpfade 30 ausbilden, die die elektrische Leitfähigkeit des Leiters 14 gewährleis¬ ten .
Bei dem elektrischen Leiter 14 gemäß Figur 5 werden zur Lei- tung des elektrischen Stroms Partikel 22 verwendet, die je¬ weils aus einer metallischen Hülle 24 und einem elektrisch isolierenden Kern 23 bestehen. Weiterhin können weitere Partikel 25 vorgesehen werden, welche aus dem Material des Bau¬ teils 11 bestehen. Auch die Kerne 23 der Partikel 22 können aus diesem Material bestehen. Im Unterschied zur Figur 4 ist das metallische Material der Hülle 24 genügend temperaturbe¬ ständig, dass dieses durch die das Bauteil 11 bildende Wärme¬ behandlung nicht aufgeschmolzen wird. Daher liegen die Partikel 22, wie zu Figur 3 beschrieben, im ungeschmolzenen Zu- stand vor, sodass sich lediglich Berührungsstellen 26 zur Ausbildung der Leitpfade 30 ergeben.
Die Verwendung des Materials des Bauteils 11 für die weiteren Partikel 25 und die Kerne 23 hat den Vorteil, dass der Leiter 14 bei einer thermischen Beanspruchung des Bauteils 11 ein stark an das Wärmeausdehnungsverhalten des Bauteils 11 ange- passtes Verhalten zeigt. Durch die mit der Erwärmung des Bau¬ teils 11 auftretenden Wärmedehnungen werden daher die im e- lektrischen Leiter 14 auftretenden Spannungen gering gehal- ten, sodass eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Leiters 14 auf Grund einer mechanischen Beanspruchung desselben erst auftritt, wenn auch das Bauteil 11 beispiels¬ weise durch Ausbildung eines Risses beschädigt wird. Eine thermische Beanspruchung allein verändert die elektrischen Eigenschaften des Leiters 14 lediglich reversibel und tempe¬ raturabhängig und ist daher durch eine Temperaturmessung vorhersagbar und zu berücksichtigen.
Der elektrische Leiter 14 gemäß Figur 6 besteht ebenfalls aus Partikeln 22 mit einem Kern 23 und einer Hülle 24. Bei der Herstellung des Bauteils 11 wurden die Hüllen 24 der Partikel 22 aufgeschmolzen, sodass sich bei gleichzeitiger Ausbildung von Hohlräumen 27 eine Stoffschlüssige Verbindung 28 des me- tallischen Materials zur Ausbildung des elektrischen Leiters ergeben hat. Der effektive Querschnitt des Leiters 14 wird in diesem Fall hauptsächlich durch die Kerne 23, jedoch auch durch die Hohlräume 27 verringert.
Die Kerne 23 sind nicht aus demselben Material hergestellt, wie das Bauteil 11. Jedoch ist das Material der Kerne 23 hin¬ sichtlich des Wärmeausdehnungsverhaltens an das Bauteil 11 angepasst. Hierdurch lässt sich die zur Figur 5 erläuterte Temperatur-Unempfindlichkeit des elektrischen Leiters bezüg- lieh einer unerwünschten Veränderung seiner elektrischen Eigenschaften auf Grund einer mechanischen Überbeanspruchung erreichen .

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil (11) aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer Erfassungsstruktur für mechanische Beschädigungen des Bauteils (11), wobei die Erfassungsstruktur einen mit dem Bauteil fest verbundenen elektrischen Leiter (14, 14a, 14b, 14c) aufweist, hinsichtlich ihrer Geometrie derart an die Geometrie des Bauteils (11) angepasst ist, dass die mechanische Be¬ schädigung des Bauteils (11) mit einer Änderung der e- lektrischen Eigenschaften des elektrischen Leiters (14, 14a, 14b, 14c) verbunden ist, und der elektrische Leiter durch sich einander berührende Partikel (21, 22) mit einer metallischen Oberfläche ge¬ bildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (22) aus einem elektrisch isolierenden Kern (23) mit einer metallischen Hülle (24) bestehen, wobei der Kern (23) aus einem Material besteht, das bezüglich sei¬ nes mechanischen Verhaltens, insbesondere seines Wärmeausdeh¬ nungsverhaltens, an das Verhalten des Materials des Bauteils (11) angepasst ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Kerns (23) identisch mit dem Material des Bauteils (11) ist.
3. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (21, 22) mit der metallischen Oberfläche in dem elektrischen Leiter (14, 14a, 14b, 14c) mit vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus dem Material des Bauteils (11) bestehenden Partikeln (25) ge¬ mischt vorliegen.
4. Bauteil (11) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erfassende mechanische Beschädigung eine Rissbil¬ dung im Bauteil ist, wobei der Leiter (14, 14a, 14b, 14c) derart verläuft, dass er durch das zu erwartende Risswachstum geschnitten wird.
5. Bauteil (11) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (14, 14a, 14b, 14c) parallel zur Oberfläche des Bauteils (11) verläuft.
6. Bauteil (11) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere voneinander unabhängige Leiter (14, 14a, 14b, 14c) vorgesehen sind, die in unterschiedlichen Abständen parallel zur Oberfläche verlaufen.
7. Bauteil (11) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der unabhängigen Leiter (14, 14a, 14b, 14c) derart ausgebildet ist, dass diese bei einer hochfrequenten elektromagnetischen Anregung voneinander unterscheidbare spektrale Signaturen erzeugen.
8. Bauteil (11) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (14, 14a, 14b, 14c) einen schleifenförmigen Verlauf aufweist.
9. Bauteil (11) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Verkleidung zum Hitzeschutz ausgebildet ist.
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