DE10206977B4

DE10206977B4 - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Bauelements sowie danach hergestelltes Bauelement

Info

Publication number: DE10206977B4
Application number: DE10206977A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Döllgast; Till M. Schmauser
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2001-02-24
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2022-02-21
Also published as: DE10206977A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines flachen, mehrschichtigen Bauelements (1) zur Verwendung als Aktor oder Sensor, bei dem
ein Verbund (1) aus einer den Shape-Memory-Effekt zeigenden metallischen Trägerschicht (2), einer Klebeschicht (4) sowie einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht (3) zwischen zwei im Wesentlichen ebenen Platten (P1, P2) angeordnet und auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Klebers erwärmt wird,
der Verbund (1) mit orthogonal zu dessen Hauptebene wirkendem Druck (F) beaufschlagt wird, und
der Verbund (1) unter Druckbeaufschlagung bis unterhalb der Erweichungstemperatur des Klebers abgekühlt wird, wobei die den Shape-Memory-Effekt zeigende metallische Trägerschicht (2) bei unterhalb der Erweichungstemperatur der Klebeschicht liegender Temperatur eine durch Umwandlung der Kristallstruktur bedingte Kontraktion in der Hauptebene ausführt und sich anschließend bei betriebsbedingter Umgebungstemperatur hinsichtlich der thermischen Ausdehnung zumindest annähernd gleich der elektrisch aktivierbaren Materialschicht (3) verhält.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines flachen, mehrschichtigen Bauelements zur Verwendung als Aktor oder Sensor. Sie bezieht sich weiter auf ein danach hergestelltes Bauelement mit interner Vorspannung.
Aus der US 5,632,841 und aus der US 6,060,811 ist eine Aktor- bzw. Sensor-Anordnung bekannt, bei der infolge unterschiedlicher thermischer Dehnungen ein flacher Verbund aus einem Metall und einer aktiven Keramik, insbesondere einer Piezokeramik auf der Basis von Blei-Zirkonat-Titanat, vorgespannt wird. Dabei wird der Verbund bei hoher Temperatur gefügt, wobei nach dem Erstarren eines zur Verbindung eingesetzten Polymers eine mechanische Spannung in der Keramik entsteht, so dass diese einer Druckbeaufschlagung unterworfen ist.
In der US 5,471,721 ist ein sogenannter Rainbow-Aktor beschrieben, der durch partielle chemische Reduktion einen inneren Schichtaufbau aufweist, wobei die reduzierte Schicht die Funktion einer Metallschicht erfüllt. Diese Konstruktion zeichnet sich dadurch aus, dass durch die thermische Vorspannung die Effektivität und der Bruchwiderstand der Keramik gesteigert wird.
Die WO 01/12985 A1 zeigt einen auf einen auf einem Shape-Memory-Effekt basierenden Aktor sowie entsprechende Steuerverfahren für den Aktor.
Aus der DE 197 32 513 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundstruktur von Aktuatoren für zugbelastete Komponenten bekannt, wobei auf den beiden flächigen Seiten eines plattenförmigen Piezoelementes mit mechanischen Vorspannungen versehene Elemente in Form von Faserverbundplatten aufgebracht werden. Dabei werden die mechanischen Vorspannungen als in Ebene der beiden Faserverbundplatten wirkende Zugspannungen nach Richtung und Grösse gezielt angelegt, die so auf Zug vorgespannten Faserverbundplatten anschliessend mit der Piezokeramik über die gesamten Berührungsflächen verklebt werden und nach erfolgter Verklebung die auf Zug vorgespannten Faserverbundplatten entlastet.
Nachteilig bei diesen bekannten mehrschichtigen Bauelementen ist jedoch, dass durch die Unterschiede der thermischen Dehnung nicht nur bei der bestimmungsgemässen elektrischen Ansteuerung, sondern auch bei einer Änderung der betriebsbedingten Umgebungstemperatur eine Änderung der Verbund-Form auftritt. Dabei liegt diese Änderung in der Grössenordnung einer infolge elektrischer Ansteuerung auftretenden Formänderung. Dadurch ist der Temperaturbereich, in dem das als Aktor oder Wandler verwendete Bauelement eingesetzt werden kann, in unerwünschter Weise eingeschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Herstellungsverfahren, für ein flaches, laminiertes Bauelement, insbesondere mit interner Vorspannung, anzugeben. Des Weiteren soll ein derartiges, zur Verwendung als Aktor oder Sensor geeignetes Bauelement angegeben werden, bei dem die genannten Nachteile vermieden sind.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich des mehrschichtigen Bauelements zur Verwendung als Aktor oder Sensor wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 3. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch den Einsatz sogenannter Formgedächtnis-Legierungen (shape memory alloy, SMA) einerseits die gewünschte Vorspannung durch Kontraktionen des als Trägerschicht wirksamen Metalls in einfacher Weise erreicht und andererseits die unerwünschte Beeinflussung der Form durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen eingesetzten Materialien oder Materialschichten vermieden werden kann.
Derartige Formgedächtnis-Legierungen haben erkanntermassen die Eigenschaft, bei einer Änderung der Temperatur eine vorherige Form erneut einzunehmen, was durch eine Umwandlung der Kristallstruktur erreicht wird.
Eine besonders geeignete Legierung weist als Eigenschaften auf, dass bei Abkühlung unter die Erweichungstemperatur eines zur Herstellung des Verbundes eingesetzten Klebstoffs eine Kontraktion in der Hauptebene erfolgt. Im Anschluss an diese Kontraktion weist die entsprechend legierte metallische Schicht im Bereich der Einsatztemperatur eines derartigen Bauelementes einen solchen thermischen Ausdehnungskoeffizient auf, der möglichst ähnlich dem Ausdehnungskoeffizient der aktiven Keramik, insbesondere einer eingesetzten Piezokeramik, ist. Darüber hinaus erfolgt keine weitere Formänderung, die durch eine Änderung der Temperatur innerhalb festgelegter Betriebsgrenzen liegt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein mit einer den Shape-Memory-Effekt zeigenden metallischen Trägerschicht versehener Verbund eines mehrlagigen, elektrisch ansteuerbaren Bauelementes während der ersten Abkühlung im Zuge des Herstellungsverfahrens stark vorgespannt wird und sich anschließend nach einer weiteren, insbesondere vollständigen Abkühlung sehr ähnlich wie die Keramik verhält.
Durch die Kontraktion der metallischen Trägerschicht entstehen in dieser Zugspannungen, die durch entsprechende Druckspannungen in der Keramikschicht ausgeglichen werden und zu einer Biegung führt, bei der die Keramik an der Außenseite des Bauelementes liegt. Da sich unterhalb der Umwandlungstemperatur der den Shape-Memory-Effekt zeigenden metallischen Trägerschicht die beiden Materialien des Bauelementes annähernd gleich in Bezug auf deren thermische Dehnung verhalten, bleibt der so erzeugte Spannungszustand zumindest nahezu unverändert und damit auch die äußere Form des Bauelementes. Grund hierfür ist, dass sich auch bei betriebsbedingt praktisch unvermeidbaren Temperaturänderungen, denen eine solcher Aktor beim Betrieb ausgesetzt ist, die Summe der mechanischen Spannungen innerhalb des Bauelementes zu Null ausgleichen. Ein Ungleichgewicht, das zu einer Biegung oder zu einem Verzug des Bauelementes und damit zu einer Änderung dessen äußerer Form führen würde, ist somit vermieden.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens bei gleichzeitiger Verwendung einer den Shape-Memory-Effekt zeigenden metallischen Trägerschicht wird unter Ausnutzung der Vorteile einer vorgespannten Konstruktion sicher vermieden, dass sich der Verbund infolge sich ändernder Umgebungstemperatur ebenfalls verändert und der Aktor bzw. Sensor unerwünschte Bewegungen ausführt, die nicht durch entsprechende Ansteuerung des Aktors bewußt erzwungen sind.
Die erfindungsgemäße Konstruktion ist sowohl für asymmetrische Wandler mit einer Keramikschicht und einer Metallschicht als auch für symmetrische Wandler mit zwei Keramikschichten auf beiden Oberflächen eines zentralen Metalls als Trägerschicht vorteilhaft. Obwohl ein symmetrischer Aktor oder Wandler prinzipiell keine konstruktionsbedingte Änderung der Form infolge von Temperaturänderungen zeigt, ändern sich dennoch dessen mechanische Eigenschaften, so dass der Schutzeffekt durch die Druckspannung in der Oberfläche im Extremfall aufgehoben werden kann. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion ist auch diese unerwünschte Möglichkeit ausgeschlossen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Aktor oder Sensor mit interner Vorspannung, und
2 schematisch den Schichtaufbau des Aktors bzw. Sensors zwischen zwei Platten.
Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Dargestellt ist ein piezoelektrischer Aktor oder Biegewandler bzw. Sensor als flaches, mehrschichtiges Bauelement 1 mit in einem Verbund einer den Shape-Memory-Effekt (SMA) zeigenden Trägerschicht 2 und einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht 3 aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material. Eine Klebeschicht 4 verbindet die Trägerschicht 2 und die Keramikschicht 3 miteinander.
Auf der der Trägerschicht 2 abgewandten Oberseite der Materialschicht 4 ist eine zusätzliche Elektrode 5, bestehend aus einer dünnen Metallfolie, z. B. aus Aluminium, angebracht (2).
Bei der metallischen Trägerschicht 2 handelt es sich somit um ein Material aus bzw. mit einer sogenannten Formgedächtnis-Legierung. Diese metallische Trägerschicht 2 führt bei einer Temperatur, die unterhalb der Erweichungstemperatur des Klebers der Klebeschicht 4 liegt, eine starke Kontraktion in der von der Trägerschicht 2 und damit vom Bauelement 1 aufgespannten Ebene aus. Bei betriebsbedingter Umgebungstemperatur weist die metallische Trägerschicht 2 jedoch vorteilhafterweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der dem Ausdehnungskoeffizienten der Keramikschicht 3 zumindest ähnlich ist.
Wie in 2 veranschaulicht ist, wird der Verbund zum Fügen zwischen zwei im Wesentlichen ebene Platten P1 und P2 gelegt und auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur der Klebeschicht 4 erwärmt. Mittels der Platten P1, P2 wird beidseitig des Verbundes orthogonal zu dessen Hauptebene eine Druckkraft F aufgebracht. Unter dieser Druckbeaufschlagung wird der Verbund bis unterhalb der Erweichungstemperatur der Klebeschicht 4 abgekühlt, so dass diese erstarrt und damit eine feste Verbindung zwischen den Schichten 2, 3 des Verbundes bewirkt wird. Im Zuge der weitere Abkühlung des Verbundes erfolgt bei einer legierungsspezifischen Temperatur die kristallografische Umwandlung der metallischen SMA-Trägerschicht 2.
Die Formgedächtnis-Legierung der metallischen Trägerschicht 2 ist derart gewählt, dass diese nach der beschriebenen Umwandlung keine weiteren Umwandlungen innerhalb des Bereiches der vorgegebenen Betriebstemperatur des Aktors oder Wandlers 1 zeigt. Handelt es sich bei der Keramikschicht 3 um eine Piezokeramik, so wird diese nach der Umwandlung durch Anlegen einer elektrischen Spannung polarisiert.

1: Bauelement/Verbund
2: Trägerschicht
3: Materialschicht
4: Kleberschicht
5: Elektrode
F: Druckkraft
P1, 2: Platte

Claims

Verfahren zur Herstellung eines flachen, mehrschichtigen Bauelements (1) zur Verwendung als Aktor oder Sensor, bei dem ein Verbund (1) aus einer den Shape-Memory-Effekt zeigenden metallischen Trägerschicht (2), einer Klebeschicht (4) sowie einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht (3) zwischen zwei im Wesentlichen ebenen Platten (P1, P2) angeordnet und auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Klebers erwärmt wird, der Verbund (1) mit orthogonal zu dessen Hauptebene wirkendem Druck (F) beaufschlagt wird, und der Verbund (1) unter Druckbeaufschlagung bis unterhalb der Erweichungstemperatur des Klebers abgekühlt wird, wobei die den Shape-Memory-Effekt zeigende metallische Trägerschicht (2) bei unterhalb der Erweichungstemperatur der Klebeschicht liegender Temperatur eine durch Umwandlung der Kristallstruktur bedingte Kontraktion in der Hauptebene ausführt und sich anschließend bei betriebsbedingter Umgebungstemperatur hinsichtlich der thermischen Ausdehnung zumindest annähernd gleich der elektrisch aktivierbaren Materialschicht (3) verhält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umwandlungstemperatur der den Shape-Memory-Effekt zeigenden metallischen Trägerschicht (2) oberhalb der betriebsbedingten Umgebungstemperatur und unterhalb der Erweichungstemperatur der Klebeschicht liegt.
Flaches, mehrschichtiges Bauelement (1) zur Verwendung als Aktor oder Sensor, mit einem Verbund einer den Shape-Memory-Effekt zeigenden metallischen Trägerschicht (2), einer elektrisch aktivierbaren Materialschicht (3) aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material und einer dazwischen befindlichen Kleberschicht, wobei die den Shape-Memory-Effekt zeigende metallische Trägerschicht (2) innerhalb einer zu erwartenden betriebsbedingten Umgebungstemperatur, die unterhalb einer Umwandlungstemperatur der den Shape-Memory-Effekt zeigenden metallischen Trägerschicht (2) liegt, eine an nähernd gleiche thermische Ausdehnung besitzt wie die elektrisch aktivierbare Materialschicht (3).
Flaches, mehrschichtiges Bauelement (1) nach Anspruch 3, wobei das Bauelement (1) eine Biegung aufweist, die durch Zugspannungen in der den Shape-Memory-Effekt zeigende metallische Trägerschicht (2) erzeugt wird, die durch entsprechende Druckspannungen der elektrisch aktivierbaren Materialschicht (3) ausgeglichen sind.