18.01.2006

Keramische Temperatur- und Drucksensoren auf Basis molekular

abgeleiteter, im Spritzgießverfahren geformter SiOC-Keramik

Professor Dr. Ralf Riedel

Technische Universität Darmstadt

Fachbereich 11 - Material- und Geowissenschaften

Darmstadt

Zusammenfassung

Ziel der ersten zwei Antragsphasen des vorliegenden Forschungsantrages war die Synthese von SiOC-Keramiken mit Nanodomänenstruktur aus molekular aufgebauten präkeramischen Polymeren. Entsprechend dem Arbeitsplan wurden in den ersten Projektphasen bor- und aluminiumhaltige SiOC-Keramiken hergestellt und auf ihre Eignung als keramischer Heizer und Temperatursensor hin untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Polysiloxane und aluminiumhaltige Füllstoffe Mullit/SiC Komposite bilden, die als vielversprechende Ausgangsmaterialen für keramische Bauteile im System SiOC mit sensorischen Eigenschaften angesehen werden. Während des Berichtszeitraums sind weitreichende Erkenntnisse gewonnen worden, die erhoffen lassen, einen neuartigen Werkstoff mit herausragenden Sensoreigenschaften gefunden zu haben. So konnte in den hergestellten SiOC-Keramiken ein piezoresistiver Effekt nachgewiesen werden, der an Größe den K-Faktor von konventionellen Dehnungsmesstreifen übertrifft. Dies stellt in Aussicht die entwickelten Keramiken neben der bereits etablierten Temperatursensorik auch als Drucksensor einzusetzen und somit beide in der ursprünglichen Antragstellung geforderten Funktionen mit einem einzigen monolithischen Werkstoff zu realisieren. Dies ist ein enormer Beitrag zur kostengünstigen und ressourcenschonenden Herstellung, sowie aufgrund des kompakten Aufbaus zur Zuverlässigkeit und Robustheit der Glühkerze. Des Weiteren haben die Keramiken in ersten Zuverlässigkeitstests gute mechanische Eigenschaften (Festigkeit) wie auch Beständigkeit gegen thermische Zyklisierung unter realitätsnahen Bedingungen gezeigt. In der folgenden Förderperiode sollen diese beiden Erkenntnisse gefestigt und durch weitere komplementäre Untersuchungen, abgesichert werden. Die mikroskopischen Mechanismen der neu gefundenen Piezoresistivität sollen durch gezielte Messungen an definierten Probenzusammensetzungen aufgeklärt werden. Im Hinblick auf spätere Einsetzbarkeit der Keramik als Glühstift sind weitere umfangreiche Tests zur Zuverlässigkeit erforderlich. Darauf aufbauend erfolgt nun in der dritten Projektphase zunächst die Optimierung der Herstellungsprozesse der SiOC/MoSi₂-Keramiken sowie deren Überprüfung in Dauerbelastungsuntersuchungen bezüglich Phasenstabilität, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Alterung und mechanischer Festigkeit. An möglichst vollständig verdichteten Precursoren-Keramiken unterschiedlicher Zusammensetzungen werden die mechanischen Eigenschaften nach verschiedenen Auslagerungszuständen ermittelt, um ein umfassendes Verständnis der Gefüge-Eigenschaften-Korrelation von Si-O-C-Werkstoffen zu erhalten. Insbesondere das Verhältnis amorpher zu kristalliner Phasen soll variiert und mit ihren Eigenschaften verknüpft werden. Langfristiges Ziel ist die Bereitstellung eines Methodenbaukastens zur Herstellung einfach zu prozessierender Werkstoffe mit speziell einstellbaren Materialeigenschaften. Zum Ende des Projekts wird eine erste Technologiedemonstration angestrebt, indem aufgezeigt wird, dass die Keramik im realitätsnahen Einsatz beide Sensorfunktionen simultan bereitstellen kann und der Abgriff der Signale auch technisch möglich ist.

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