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Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 1: Einleitung und Sensoren

Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 1: Einleitung und Sensoren. Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. Carsten Gachot. Funktionswerkstoffe, Inhalte der Vorlesung. Einleitung und Sensoren Phasenumwandlungen Martensittransformationen Formgedächtniswerkstoffe

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Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 1: Einleitung und Sensoren

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Presentation Transcript

  1. Einführung in die FunktionswerkstoffeKapitel 1: Einleitung und Sensoren Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. Carsten Gachot

  2. Funktionswerkstoffe, Inhalte der Vorlesung Einleitung und Sensoren Phasenumwandlungen Martensittransformationen Formgedächtniswerkstoffe Magnetismus: Repetitorium, Weichmagnete, Hartmagnete, magnetische Speichermedien Magnetische Formgedächtniswerkstoffe Magnetostriktion Dielektrika Piezoelektrische Werkstoffe

  3. 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

  4. Lernziele von Kapitel 1: Einleitung und Sensoren Was sind Funktionswerkstoffe? Was sind Aktoren/Sensoren? Wie funktioniert eine Lambda-Sonde?

  5. … und strukturelle Vielfalt 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

  6. Wir alle haben täglich mit Werkstoffen zu tun

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

  8. Enorme chemische Vielfalt …viele „Gesichter“ sind möglich! Konstruktive Vielfalt Turbinenwerkstoffedie „Multi-Talente“ in der Werkstoffwissenschaft

  9. FunktionswerkstoffeWas sind Funktionswerkstoffe? Werkstoffe, die mehr leisten sollen als Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit!

  10. Sensoren Aktoren Sensoren und AktorenEinleitung Was sind Sensoren und 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.

  11. Sensoren und AktorenSensoren in der Fahrzeugtechnik [Quelle: Sprick, N., Uni Mainz]

  12. 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.

  13. 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.

  14. Sensoren und AktorenBeispiel I Die Lambda-Sonde

  15. Sensoren und AktorenBeispiel II Der Bewegungsmelder 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 Erfassungsbereich eines passiven Infrarot-Sensors [Quelle: Wikipedia]

  16. Sensoren und AktorenBeispiel III Medizintechnische Anwendungen: Video: Bending

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