Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Einführung in die Funktionswerkstoffe

Kapitel 1: Einleitung und Sensoren

Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. Carsten Gachot

Einführung in die Funktionswerkstoffe3

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Funktionswerkstoffe, Inhalte der Vorlesung

1. Einleitung und Sensoren

2. Phasenumwandlungen

3. Martensittransformationen

4. Formgedächtniswerkstoffe

5. Magnetismus: Repetitorium, Weichmagnete, Hartmagnete, magnetische Speichermedien

6. Magnetische Formgedächtniswerkstoffe

7. Magnetostriktion

8. Dielektrika

9. Piezoelektrische Werkstoffe

Einführung in die Funktionswerkstoffe4

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Funktionswerkstoffe, Buchempfehlungen

• „Physical Metallurgy Principles“ von Reed-Hill Wadsworth Verlag, 3. Auflage ISBN: 0534921736

• „Phase Transformations in Metals and Alloys“ von D. Porter CRC Press Inc., 2. Auflage ISBN: 0748757414

• „Physikalische Grundlagen der Materialkunde“ von G. Gottstein Springer Verlag ISBN: 3540419616

• „Werkstoffwissenschaft“ von Schatt & Worch Wiley - VCH, 9. Auflage ISBN: 3527305351

• „Physikalische Chemie“ von P. Atkins Wiley - VCH, 3. Auflage ISBN: 3527302360

• „Einführung in die Festkörperphysik“ von Ch. Kittel Oldenbourg Verlag, 14. Auflage ISBN: 3486577239

• „Keramik“ von H. Schaumburg, B.G. Teubner Stuttgart, ISBN: 3-519-06127-9

Einführung in die Funktionswerkstoffe5

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Lernziele von Kapitel 1: Einleitung und Sensoren

• Was sind Funktionswerkstoffe?

• Was sind Aktoren/Sensoren?

• Wie funktioniert eine Lambda-Sonde?

Einführung in die Funktionswerkstoffe6

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Noch kein Ende in Sicht!

2 Elemente 5.000 Systeme 80% bekannt

3 Elemente 162.000 Systeme ca. 5% bekannt

4 Elemente 4.000.000 Systeme < 1% bekannt

… und strukturelle Vielfalt

Einführung in die Funktionswerkstoffe7

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Wir alle haben täglich mit Werkstoffen zu tun

Einführung in die Funktionswerkstoffe8

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Werkstoffe für extrem AnforderungenWas haben ein kraftwerk und ein Airbus gemeinsam?

Einführung in die Funktionswerkstoffe9

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Enorme chemische Vielfalt

…viele „Gesichter“ sind möglich!

Konstruktive Vielfalt

Turbinenwerkstoffedie „Multi-Talente“ in der Werkstoffwissenschaft

Einführung in die Funktionswerkstoffe10

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

FunktionswerkstoffeWas sind Funktionswerkstoffe?

Werkstoffe, die mehr leisten sollen als Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit!

Einführung in die Funktionswerkstoffe11

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Sensoren und AktorenEinleitung

Was sind Sensoren und Aktoren ?

Sensoren Aktoren

Sensoren sind (elektronische) Bauelemente zur qualitativen oder quantitativen Detektion einer physikalischen Größe

Aktoren oder auch Aktuatoren (engl. Actuator) wandeln eine physikalische Eingangsgröße z.B. eine elektrische Spannung in eine andere Ausgangsgröße z.B. mechanisches Signal um.

Einführung in die Funktionswerkstoffe13

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Sensoren und AktorenSensoren in der Fahrzeugtechnik

[Quelle: Sprick, N., Uni Mainz]

Einführung in die Funktionswerkstoffe14

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Sensoren und AktorenBeispiel I

Die Lambda-Sonde

Was ist das ?

Die Lambda-Sonde (Bosch 1976) ist ein Messgerät zur Bestimmung des Verhältnisses von Luft zu Kraftstoff während der Verbrennung. Die Messung basiert auf dem Restsauerstoffgehalt im Abgas.

Aufbau:

Aufbau als „Fingersonden“. Form eines Hütchens mit Abgas außen und Referenzluft im Inneren. Sensoren werden in Planartechnik aus mehreren Schichten aufgebaut. Keramikelement wird von einem metallischen Schutzrohr umgeben. Für den Gaszutritt sorgen kleine Bohrungen.

Messprinzipien:

a) Spannung Festkörperelektrolyt (Nernstsonde)

b) Widerstandsänderung einer Keramik (Widerstandssonde)

Verwendung in Motoren:

Die Sonde wird in Ottomotoren in der Regel in den Abgaskrümmer oder das Sammelrohr direkt dahinter eingeschraubt.

Einführung in die Funktionswerkstoffe15

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Sensoren und AktorenBeispiel I

Funktionsweise Nernst-Sonde

Eine Seite des Sensors ist dem Abgasstrom ausgesetzt, während die andere Seite an einer Sauerstoffreferenz liegt.

Ab einer Temperatur von ca. 300°C wird die eingesetzte Yttrium-dotierte ZrO2 (Warum Yttrium dotiert?) Keramik leitend für negative Sauerstoffionen.

Ionendiffusion zum Abgas!

Die 2-fach negativ geladenen Sauerstoffionen können bei der gegebenen Temperatur durch die Keramik hindurchtreten.

Ionisation durch Elektronen von Elektroden.

Zwischen den Pt-Elektroden lässt sich die Sondenspannung abgreifen. Ein Steuergerät regelt damit das Luft/Kraftstoffverhältnis.

Einführung in die Funktionswerkstoffe16

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Sensoren und AktorenBeispiel I

Die Lambda-Sonde

Einführung in die Funktionswerkstoffe17

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Der Bewegungsmelder

Erfassungsbereich eines passiven Infrarot-Sensors

Bewegungsmelder kann prinzipiell mit elektromagnetischen Wellen, Ultraschall oder Infrarotstrahlung arbeiten. Am häufigsten kommt der Passive-Infrarot-Sensor vor.

Grundlage ist das pyroelektrische Verhalten der Empfängerfläche. Körperwärme von Menschen und Tieren wird damit detektiert.

Linsen bündeln die Infrarotstrahlung vor dem Sensorelement, welches einen segmentierten Erfassungsbereich hat. Erfolgt eine Bewegung quer! zu den Segmenten ändert sich die Temperatur innerhalb einiger Segmente geringfügig, so dass zu den Nachbarsegmenten ein T entsteht.

Dies führt zu einer elektrischen Spannung!

Für die erzielbare Polarisation Pij gilt:

Pij = p T p: pyroelektrische Konstante

[Quelle: Wikipedia]

Sensoren und AktorenBeispiel II

Einführung in die Funktionswerkstoffe18

Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Medizintechnische Anwendungen:

Video: Bending

Sensoren und AktorenBeispiel III