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Westsächsische Hochschule Zwickau entwickelt intelligente Werkstoffe

23.09.2002


Präsentation auf der Werkstoffmesse Materialica in München

Innovative keramische Werkstoffe finden heutzutage in vielfältiger Form bei realen Bauteilen u.a. im Maschinen- und Fahrzeugbau und in der Elektrotechnik Anwendung, so zum Beispiel als Konstruktionskeramik, als Elektronikwerkstoffe, für Werkzeuge und in Werkstoffverbunden.
Um den eventuellen Ausfall solcher Bauteile bei mechanischer und thermischer Belastung, also bei realen Betriebszuständen, rechtzeitig voraussagen und damit vermeiden zu können, entwickeln die Werkstoffspezialisten der Westsächsischen Hochschule Zwickau "intelligente Werkstoffe".
Grundgedanke dabei ist, an rissgefährdeten Teilen von realen Bauteilen sogenannte Mikrorisssensoren anzubringen. Diese Risssensoren sind einfache und wirtschaftliche Messaufnehmer, die den Rissbeginn, die Rissausbreitungsgeschwindigkeit und die Risslänge in situ mit hoher Präzision bestimmen können. Die Kenntnis der Rissgeschwindigkeit ist von entscheidender Bedeutung für die Prognose der Nutzbarkeitsdauer von Bauteilen. Das Prinzip der Messungen beruht darauf, dass dünne und feine Leiterbahnen gleichzeitig mit der Rissbildung durchtrennt werden und damit verbunden eine irreversible Widerstandsänderung im Leiterbahnsystem des Risssensors auftritt (siehe auch Anlage).
Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird von der Westsächsischen Hochschule Zwickau auf der 5. Werkstofffachmesse "Materialica 2002" vom 30. September bis zum 3. Oktober in München vorgestellt. Zu begutachten ist dieses Projekt auf dieser Messe für innovative Werkstoffe, Verfahren und Anwendungen am Gemeinschaftsstand der sächsischen Hochschulen. Dieses Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Forschungsförderung für Fachhochschulen finanziert.

Kontakt/Projektleitung:

Westsächsische Hochschule Zwickau (FH)
Fachbereich Maschinenbau und Kraftfahrzeugtechnik
Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Dietz
Dr.-Friedrichs-Ring 2A
08056 Zwickau
Telefon: (0375) 536 1770
Fax: (0375) 536 1706 E-Mail: manfred.dietz@fh-zwickau.de

Fachbereich Elektrotechnik
Prof. Dr. rer. nat. Jürgen Grimm
Telefon: (0375) 536 1434
Fax: (0375) 536 1403
E-Mail: juergen.grimm@fh-zwickau.de


gez. Dr. Solondz

Anlage


Anlage
zur Pressemitteilung "Westsächsische Hochschule Zwickau entwickelt intelligente Werkstoffe"

Messeobjekt
"Mikrorisssensoren zur Charakterisierung von Konstruktionskeramik"
Materialica, München, 30.9. - 2.10.2002

Riss-Sensoren sind einfache und wirtschaftliche Messaufnehmer zur Erfassung und Charakterisierung lokaler Eigenschaften, speziell des Bruchverhaltens, auf der Grundlage entstehender Risse an der Oberfläche von spröden Materialien, insbesondere von Konstruktionskeramik, Elektronikwerkstoffen, Werkzeugen und anderen Verbundmaterialien. Um den Zeitpunkt des Rissbeginns, die Rissausbreitungsgeschwindigkeit und die Risslänge sowie die Rissentstehungsmechanismen mit hoher Präzision bestimmen zu können, wurden Untersuchungen zur sensortechnischen Quantifizierung der Risskinetik bei Indentermethoden durchgeführt.
Die Erfassung der Rissausbreitung erfolgt mit elektrischen Methoden. Der Messaufnehmer besteht aus mehreren parallelen Leiterbahnen mit 6µm Breite und 6µm Abstand und wird direkt auf dem Proben-Substrat hergestellt.
Das Prinzip der Messungen beruht darauf, dass dünne und feine Leiterbahnen gleichzeitig mit der Rissbildung an einem Indentereindruck durchtrennt werden und damit verbunden eine irreversible Widerstandsänderung im Leiterbahnsystem des Risssensors auftritt. Die entwickelten Mikro-Riss-Sensoren erlauben die Bestimmung von Rissen auf der Mikrometerskala für unterschiedliche spröde Werkstoffe und damit die Bestimmung der Oberflächenrisskinetik. Die hier entwickelte Methode stellt die Basis für die Entwicklung einer fortgeschrittenen und bisher nicht realisierbaren Form der in-situ-Messung der Ausbreitung von Oberflächenrissen nach deren Initiierung dar. Damit sind die Erfolgsaussichten für den Einsatz der Sensoren zur Materialcharakterisierung und zur in-situ-Prüfung als sehr gut einzustufen.
Im Ergebnis dessen ergeben sich Möglichkeiten zur Weiterentwicklung und Qualifizierung der Prüfverfahren zur lokalen Eigenschaftscharakterisierung, speziell des Bruchverhaltens von spröden Werkstoffen, d.h. die entstehenden Risse an Indenter-Eindrücken (Vickers-, Knoopindenter) werden einer Untersuchung zugänglich gemacht. Dies ist insofern von Bedeutung, da die Rissgeschwindigkeit unter Beachtung der Spannungsintensität von entscheidender Bedeutung für die Prognose der Nutzbarkeitsdauer von Proben und Bauteilen ist. Mit diesen Risssensoren ergeben sich einfacher, genauer und schneller als bisher Möglichkeiten, Informationen zur Bruchzähigkeit und zu den Kennwerten des langsamen Risswachstums an kurzen Oberflächenrissen sowie zum Eigenspannungszustand zu erhalten. Diese Methode soll so weiter entwickelt werden, dass sie auch an rissgefährdeten Stellen in realen Bauteilen und Konstruktionen aus spröden Werkstoffen angewendet werden kann. Weiterhin dienen die Ergebnisse generell dem Verständnis der Rissentstehungsmechanismen der Theorie der elastisch-plastischen Spannungsfelder am Indentereindruck und der daraus resultierenden Spannungsintensitäten an den Diagonalrissen. Um eine Applikation der Risssensoren auf beliebig geformte Oberflächen zu ermöglichen, wurden lithographische Methoden entwickelt. Dies ist insofern interessant, als dass damit dieser Methode die Möglichkeit offen steht, in-situ-Rissentstehung an kritischen Bauteilen oder Bauteilbereichen zu detektieren.
Es ergeben sich auch Möglichkeiten des mobilen Einsatz und die Einbindung der Risssensoren in lokale Systeme zur on-line Überwachung sowie der genauen Erfassung und Korrelation zwischen Betriebszuständen und Rissentstehung bzw. - ausbreitung.

Dr. Detlef Solondz | idw

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