DE4033091C1 - Controlling elastic characteristics of sensor - by embedding electrostrictive fibres in electroconductive matrix on non-conductive matrix e.g. of silicon carbide - Google Patents

Controlling elastic characteristics of sensor - by embedding electrostrictive fibres in electroconductive matrix on non-conductive matrix e.g. of silicon carbide

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Abstract

Electrostrictive fibres (10) are embedded in an electrically conductive matrix (20) as electrical opposite pole or in an non-conductice matrix with electrically conducting fibres. The electrostrictive fibres consist of electrically conducting fibres (12), e.g. C or SiC fibres, coated with an electrostrictive material (15), e.g. Ba titanate, Pb zirconate. Conductive matrix can be of conductive polymers. USE/ADVANTAGE - Gives controllable elastic characteristics, with defined amisotropy, usable as sensor for forces. (5pp Dwg. No.2/2)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrostriktive Struktur gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electrostrictive structure according to the Generic term of claim 1.

Durch die EP 00 13 952 A1 ist ein Faden aus synthetischen Polymeren be­ kannt geworden, der im Querschnitt über die Fadenlaufrichtung aus minde­ stens drei Schichten aufgebaut ist, wovon mindestens zwei Schichten elek­ trisch leitend sind und wenigstens eine - zwischen den leitenden Schichten liegende - Schicht aus einem elektrisch isolierenden synthetischen Polymer besteht. Dieser Faden wird für elektrische Kondensatoren, elektroakusti­ sche Wandler, piezoelektrische Sensoren etc. verwendet.EP 00 13 952 A1 describes a thread made of synthetic polymers became known who in cross-section over the thread running direction from minde at least three layers are built up, of which at least two layers are electrical are tric conductive and at least one - between the conductive layers lying - layer of an electrically insulating synthetic polymer consists. This thread is used for electrical capacitors, electroacousti cal transducers, piezoelectric sensors, etc. are used.

Piezoelektrische Leitungen und Kabel sind beispielsweise aus der DE 38 38 890 A1 und aus der US 37 98 474 bekannt. Durch die US 43 49 762 ist ein elektromechanischer Wandler bekannt geworden, der sich aus zwei piezo­ elektrischen Platten mit dazwischenliegenden und abdeckenden Elektroden­ platten zusammensetzt, wobei zwischen den beiden piezoelektrischen Platten Lagen von in einem Epoxyharz eingegossenen Carbon-Fasern angeordnet sind.Piezoelectric lines and cables are, for example, from the DE 38 38 890 A1 and known from US 37 98 474. By US 43 49 762 is an electromechanical transducer has become known, which consists of two piezo electrical plates with electrodes in between and covering them plates assembled, being between the two piezoelectric plates Layers of carbon fibers cast in an epoxy resin are arranged.

Aus der EP 00 13 952 A1 ist es bekannt, einen Faden mit piezoelektrischen Eigenschaften über Textilmaschinen in ein Gewebe oder Gewirke zu verarbei­ ten und aus der US 45 95 515 ist es bekannt, piezoelektrisches Material zur Beeinflussung und Steuerung der mechanischen Eigenschaften in eine elektrisch leitende Matrix einzubetten. Diese Ausführungsformen weisen ei­ nen Aufbau der Struktur auf, der laminar ist und der Vektor der Bewegung oder der Kraft, die es zu erzeugen oder zu detektieren gilt, steht senk­ recht auf der Fläche, in der das piezoaktive Laminat liegt. In der Ebene des Laminats aber verhalten sich diese Werkstoffe jedoch nicht aktuato­ risch oder sensorisch.From EP 00 13 952 A1 it is known to use a thread with piezoelectric Properties to be processed into textile or knitted fabrics via textile machines ten and from US 45 95 515 it is known piezoelectric material to influence and control the mechanical properties in one to embed electrically conductive matrix. These embodiments show structure of the structure, which is laminar and the vector of movement or the force that is to be generated or detected is lower right on the surface in which the piezoactive laminate lies. In the plane of the laminate, however, these materials do not behave in an actuato manner risch or sensory.

Alle diese Ausführungsformen des Standes der Technik sind weiterhin mit dem Nachteil behaftet, daß die aufgedampften, aufgesputterten oder als Fo­ lien aufgebrachten metallischen Beschichtungen Druck- und Zugspannungen aufnehmen und damit der Biegung entgegenwirken können.All of these embodiments of the prior art are also included suffers from the disadvantage that the evaporated, sputtered or as Fo lien applied metallic coatings compressive and tensile stresses can absorb and thus counteract the bend.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrostrik­ tive Struktur aufzuzeigen, die eine gezielte Beeinflussung und Steuerbar­ keit des elastischen Verhaltens von Bauteilen - auch definiert anisotrop - erlaubt und auch die Ausführung komplexer Bewegungen oder mehrdimensiona­ ler Verformung zuläßt und gleichzeitig als Sensor für einwirkende Kräfte einsetzbar ist.The present invention has for its object an electrostrik tive structure to show that targeted influencing and controllable elasticity of components - also defined anisotropically - allowed and also the execution of complex movements or multidimensional Permits deformation and at the same time as a sensor for acting forces can be used.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispie­ le erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:This object is achieved by the measures outlined in claim 1 solves. Refinements and developments are in the subclaims specified and in the following description are exemplary embodiments le explained and sketched in the figures of the drawing. Show it:

Fig. 1a ein Schemabild der elektrisch leitenden und der nicht leitenden Faser und deren Beschichtungen, FIG. 1a is a schematic picture of electrically conductive and non-conductive fibers and their coatings,

Fig. 1b ein Schemabild der Fasern gemäß Fig. 1a mit der Polarisation der elektrostriktiven Faserbeschichtung mittels Platten als Gegen­ elektroden, FIG. 1b is a schematic diagram of the fibers according to Fig. 1a, with the polarization of the electrostrictive fiber coating by means of plates as a counter electrode,

Fig. 1c ein Schemabild der Faser gemäß Fig. 1a mit der Polarisation der elektrostriktiven Faserbeschichtung mittels Ringelektrode, FIG. 1c is a schematic view of the fiber according to Fig. 1a with the polarization of the electrostrictive fiber coating by means of annular electrode,

Fig. 2a ein Schemabild eines Faserverbund-Werkstoffs mit elektrisch steuerbaren elastischen Eigenschaften mit elektrisch nichtlei­ tender Matrix, FIG. 2a is a schematic diagram of a fiber composite material with elastic properties with electrically controllable electrically nichtlei tender matrix,

Fig. 2b ein Schemabild eines Faserverbund-Werkstoffes mit elektrisch steuerbaren elastischen Eigenschaften mit elektrisch leitender Matrix. Fig. 2b is a schematic image of a fiber composite material with electrically controllable elastic properties with an electrically conductive matrix.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrostrik­ tiven Faserverbund-Werkstoff mit elektrisch steuerbaren elastischen Ei­ genschaften zu schaffen, der auch elektrisch steuerbar verformt werden kann und gleichzeitig als Sensor für innere Spannungen als Folge von äu­ ßeren Belastungen geeignet ist. Hierbei werden über eine angelegte Span­ nung die inneren mechanischen Spannungen des Faserverbundes gesteuert. Dem folgt eine mechanische Bewegung des Gesamtsystems, bis sich ein neu­ er Gleichgewichtszustand in den inneren mechanischen Spannungen des Fa­ serverbundes eingestellt hat. Andererseits erzeugen äußere angreifende Kräfte innere mechanische Spannungsänderungen, die als elektrische Span­ nungen gemessen und in der Steuerung des Gesamtsystems berücksichtigt werden können. The basic idea of the present invention is an electrostrik tive fiber composite material with electrically controllable elastic egg to create properties that can also be deformed in an electrically controllable manner can and at the same time as a sensor for internal tension as a result of external is suitable for higher loads. Here are created over a span voltage controlled the internal mechanical stresses of the fiber composite. This is followed by a mechanical movement of the overall system until there is a new one he state of equilibrium in the internal mechanical stresses of the company serverbundes has stopped. On the other hand, create external attacking Forces internal mechanical stress changes called electrical span measured and taken into account in the control of the overall system can be.  

Hierzu sind in der Fig. 1a Ausführungsbeispiele einer elektrostriktiven Faser 10 skizziert. Diese besteht im oben dargestellten Ausführungsbei­ spiel aus einem elektrisch leitenden Faserkern, der seinerseits aus ei­ ner elektrisch leitenden Faser 12 besteht. Diese Faser kann eine C-, SiC- oder Nicolan-Faser sein, die mit einer elektrostriktiven Beschich­ tung 15 versehen ist. Im darunterliegenden Ausführungsbeispiel wird der Faserkern von einer nichtleitenden Faser 13. z. B. einer Glas-, SiC- oder Polymer-Faser gebildet, die mit einer elektrisch leitenden, metallischen Beschichtung 14 umgeben ist, welche gleichzeitig als Haftvermittler dient. Darauf ist dann ebenfalls eine elektrostriktive Schicht 15 aufge­ bracht.For this purpose, exemplary embodiments of an electrostrictive fiber 10 are outlined in FIG. 1a. This consists in the game Ausführungsbei shown from an electrically conductive fiber core, which in turn consists of egg ner electrically conductive fiber 12 . This fiber can be a C, SiC or Nicolan fiber, which is provided with an electrostrictive coating 15 . In the exemplary embodiment below, the fiber core is made of a non-conductive fiber 13 . e.g. B. a glass, SiC or polymer fiber is formed, which is surrounded with an electrically conductive, metallic coating 14 , which also serves as an adhesion promoter. Then an electrostrictive layer 15 is also brought up.

Die elektrostriktive Beschichtung 15, beispielsweise aus Bariumtitanat, Pb-Zirkonat oder Quarz wird im Tauch- oder Spritzlackverfahren oder durch Sputtern aufgebracht, gegebenenfalls gesintert und in einem elek­ trischen Feld vorpolarisiert, wie in den Fig. 1b und 1c veranschaulicht ist. Eine Elektrode ist hierbei die elektrisch leitende Faser 12 selbst oder die elektrisch leitende Schicht 14 auf der nichtleitenden Faser 13. Als Gegenelektroden dienen Platten 16 (Fig. 1b) oder eine Ringelektrode 17 (Fig. 1c).The electrostrictive coating 15 , for example made of barium titanate, Pb-zirconate or quartz, is applied by dipping or spray coating or by sputtering, optionally sintered and pre-polarized in an electric field, as illustrated in FIGS . 1b and 1c. An electrode is the electrically conductive fiber 12 itself or the electrically conductive layer 14 on the non-conductive fiber 13 . Plates 16 ( FIG. 1b) or a ring electrode 17 ( FIG. 1c) serve as counter electrodes.

Der elektrostriktive Faserverbundwerkstoff kann nun - wie die Fig. 2a und 2b veranschaulichen - in verschiedene Flächenstrukturen integriert werden und damit neue Bauelemente bilden, d. h. die elektrostriktiven Fa­ sern 10 werden in eine elektrisch leitende Matrix 20, die gleichzeitig den elektrischen Gegenpol bildet, oder in eine nichtleitende, jedoch mit einzelnen elektrisch leitenden Fasern 10 durchwirkte Matrix 30, inte­ griert.The electrostrictive fiber composite material can - as illustrated in FIGS . 2a and 2b - be integrated into various surface structures and thus form new components, ie the electrostrictive fibers 10 are in an electrically conductive matrix 20 , which simultaneously forms the electrical opposite pole, or in a non-conductive, but with individual electrically conductive fibers 10 interwoven matrix 30 , inte grated.

Wird nun zwischen dem elektrisch leitenden Kern der elektrostriktiven Faser 10 und dem Gegenpol - der einmal von der elektrisch leitenden Ma­ trix 20 oder zum andernmal den elektrisch leitenden Fasern 12 der nicht­ leitenden Matrix 30 gebildet wird - eine Spannung angelegt, so hat dies ein elektrisches Feld E in der elektrostriktiven Beschichtung 15 zur Folge. Je nach Vorpolarisierung dieser elektrostriktiven Beschichtung und der Richtung des elektrischen Feldes E führt die angelegte elektri­ sche Spannung zu einer Längen- oder Dickenänderung der elektrostriktiven Beschichtung 15. Die dadurch in ihr (15) auftretenden Spannungen werden von der sogenannten Kernfaser 12 oder 13 aufgenommen und führen in Ab­ hängigkeit vom geometrischen Aufbau des Faserverbundes und der Vertei­ lung der Fasern 10 zu Änderungen im elastischen Verhalten der Struktur 20, 30 oder zu Verformungen.If a voltage is now applied between the electrically conductive core of the electrostrictive fiber 10 and the opposite pole - which is formed by the electrically conductive matrix 20 or the electrically conductive fibers 12 of the non-conductive matrix 30 - this has an electric field E in the electrostrictive coating 15 result. Depending on the pre-polarization of this electrostrictive coating and the direction of the electric field E, the applied electrical voltage leads to a change in length or thickness of the electrostrictive coating 15 . The stresses that occur in it ( 15 ) are absorbed by the so-called core fiber 12 or 13 and, depending on the geometric structure of the fiber composite and the distribution of the fibers 10, lead to changes in the elastic behavior of the structure 20 , 30 or to deformations.

Die Vorpolarisation der elektrostriktiven Beschichtung (15) geschieht durch Erwärmung der beschichteten Faser über die Curie-Temperatur (Fig. 1b und 1c), wobei die Faser gleichzeitig durch ein elektrisches Feld ge­ führt wird, das durch das Anlegen einer Spannung "u" an zwei Platten­ elektroden 16 oder an eine Ringelektrode 17 und dem elektrisch leitenden Faserkern 12, 14 entsteht. Die beschichtete Faser wird noch innerhalb des elektrischen Feldes auf eine Temperatur unterhalb der Curie-Tempera­ tur abgekühlt.The pre-polarization of the electrostrictive coating ( 15 ) is done by heating the coated fiber above the Curie temperature ( Fig. 1b and 1c), the fiber is simultaneously passed through an electric field ge, by applying a voltage "u" to two Plate electrodes 16 or to a ring electrode 17 and the electrically conductive fiber core 12 , 14 arises. The coated fiber is still cooled to a temperature below the Curie temperature within the electric field.

Die in begrenzten Bereichen der Faserverbundstruktur angreifenden äuße­ ren Krafte - wie Schlag-, Dreh- oder Biegekräfte - und die im Gleichge­ wicht mit den äußeren Kräften stehenden inneren Spannungen führen zu elektrischen Spannungen an den elektrostriktiven Fasern in diesen Berei­ chen. Diese elektrischen Spannungen werden gemessen und beispielsweise durch entsprechende Kräfte von elektrischen Gegenspannungen verstärkt, die den äußeren Kräften entgegenwirken.The exterior attacking in limited areas of the fiber composite structure other forces - such as impact, turning or bending forces - and those in the same internal tensions that are important with the external forces lead to electrical voltages on the electrostrictive fibers in these areas chen. These electrical voltages are measured and for example reinforced by corresponding forces from countervoltages, that counteract the external forces.

Der solchermaßen hergestellte Verbund aus elektrisch leitender Kernfaser 12, 13, elektrostriktiver Beschichtung 15 und Gegenelektrode 20 oder 30 stellt einen Sensor für von außen einwirkende Kräfte dar. Im Falle einer von außen wirkenden Schlag-, Dreh- oder Biegekraft werden die in der elektrostriktiven Beschichtung 15 hervorgerufenen mechanischen Spannun­ gen in Form elektrischer Signale detektiert. The composite of electrically conductive core fiber 12 , 13 , electrostrictive coating 15 and counterelectrode 20 or 30 produced in this way represents a sensor for external forces. In the event of an impact, turning or bending force acting from the outside, those in electrostrictive coating 15 caused mechanical voltages in the form of electrical signals detected.

Da durch die elektrischen Regelspannungen Änderungen der mechanischen Spannungen in der Struktur im Mikrosekunden-Bereich erzielt werden, kann das System in Echtzeit reagieren und das elastische Verhalten oder die Geometrie der Verbundstruktur sofort den Erfordernissen angepaßt werden.As changes in the mechanical Tensions in the structure in the microsecond range can be achieved the system respond in real time and the elastic behavior or the Geometry of the composite structure can be adapted immediately to the requirements.

Gegenüber den bekannten Ausführungsformen des Standes der Technik wird mit den vorstehend vorgeschlagenen Maßnahmen nicht nur eine nahezu lei­ stungslose Regelung - über die elektrischen Spannungen - des elastischen Verhaltens von komplexen Faserverbund-Strukturen erzielt, sondern der Werkstoff dient gleichzeitig auch als Sensor für einwirkende Kräfte und dadurch auftretende mechanische Spannungen, die bei piezoelektrischen Werkstoffen eine elektrische Spannung hervorrufen, die nun jedoch auch zur Nachregelung des elastischen Verhaltens verwendet wird.Compared to the known embodiments of the prior art with the measures proposed above not only an almost lei continuous control - via the electrical voltages - of the elastic Behavior of complex fiber composite structures, but the Material also serves as a sensor for acting forces and resulting mechanical stresses that occur in piezoelectric Materials cause an electrical voltage, but now also is used to readjust the elastic behavior.

All diese vorgenannten Eigenschaften und Vorteile beeinflussen optimie­ rend die Herstellung von Konzeptionen für Torsionsachsen, Blatt- oder Spiralfedern in Faserverbund- oder Gemischtbauweise. Eine einstellbare Steifigkeit, ein regelbares Dämpfungsverhalten und eine Niveauregulie­ rung durch elektrische Vorspannung wird für alle Baukonzeptionen gewähr­ leistet. Elektrisch gesteuerte Rotorblattverstellungen, optimales ela­ stisches Verhalten von Flügelkonturen und manch anderes mehr wird durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ermöglicht. Letztlich soll noch die gleichzeitige Sensoreigenschaft des Werkstoffes und die dadurch mögliche Echtzeit-Reaktion auf äußere einwirkende Kräfte erwähnt werden.All of the aforementioned properties and advantages influence optimie rend the production of concepts for torsion axles, leaf or Spiral springs in fiber composite or mixed construction. An adjustable Stiffness, adjustable damping behavior and level control Electrical pre-tensioning is guaranteed for all building designs accomplishes. Electrically controlled rotor blade adjustments, optimal ela The behavior of wing contours and many other things is influenced by enables the proposed measures. Ultimately, that should be simultaneous sensor property of the material and the possible Real-time reaction to external forces are mentioned.

Claims (9)

1. Elektrostriktive Struktur, deren Fasern elektrisch leitende Schichten und eine dazwischenliegende elektrisch isolierende Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Fasern (10) in einer elektrisch leitenden Matrix (20) als elektrischer Gegenpol oder in einer nichtleitenden mit elektrisch leitenden Fasern (10) durch­ wirkten Matrix (30) eingebettet sind.1. Electrostrictive structure, the fibers of which have electrically conductive layers and an intermediate electrically insulating layer, characterized in that the electrostrictive fibers ( 10 ) in an electrically conductive matrix ( 20 ) as an electrical opposite pole or in a non-conductive with electrically conductive fibers ( 10 ) are embedded by active matrix ( 30 ). 2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die elektrostriktiven Fasern (10) für eine Faserverbundstruktur jeweils aus einer elektrisch leitenden, als Elektrode dienenden Faser (12) und einer in einem elektrischen Feld vorpolarisierten elektrostriktiven Beschich­ tung (15) zusammensetzen.2. Structure according to claim 1, characterized in that the electrostrictive fibers ( 10 ) for a fiber composite structure each consist of an electrically conductive, serving as an electrode fiber ( 12 ) and a pre-polarized in an electric field electrostrictive coating ( 15 ). 3. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die elektrostriktiven Fasern (10) für eine Faserverbundstruktur jeweils aus einer nicht leitenden, jedoch mit einer elektrisch leitenden, als Elek­ trode dienenden Beschichtung (14) versehenen Faser (13) und einer in ei­ nem elektrischen Feld vorpolarisierten elektrostriktiven Beschichtung (15) zusammensetzen.3. Structure according to claim 1, characterized in that the electrostrictive fibers ( 10 ) for a fiber composite structure each of a non-conductive, but with an electrically conductive, serving as elec trode coating ( 14 ) provided fiber ( 13 ) and one in egg Assemble the pre-polarized electrostrictive coating ( 15 ) in an electrical field. 4. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitende Faser (12) Kohlenstoff-Fasern (C-, SiC- oder Nicolan-Faser) verwendet werden.4. Structure according to claim 1 or 2, characterized in that carbon fibers (C, SiC or Nicolan fiber) are used as the electrically conductive fiber ( 12 ). 5. Struktur nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtleitende Fasern Glas-, SiC- oder Polymer-Fasern verwendet wer­ den. 5. Structure according to claim 1 or 3, characterized in that glass, SiC or polymer fibers are used as non-conductive fibers the.   6. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß als elektrostriktive Beschichtung Bariumtitanat, Pb-Zirkonat oder Quarz verwendet und im Tauch- oder Spritzlackierverfahren oder durch Sputtern aufgebracht, gesintert und in einem elektrischen Feld vorpolarisiert wird.6. Structure according to one of claims 1 to 5, characterized in net that as an electrostrictive coating barium titanate, Pb zirconate or quartz and used in the dip or spray painting process or applied by sputtering, sintered and in an electrical field is pre-polarized. 7. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Polarisation der piezostriktiven Beschichtung (15) als Ge­ genelektroden Platten (16) oder Ringelektroden (17) verwendet werden.7. Structure according to one of claims 1 to 6, characterized in that for the polarization of the piezostrictive coating ( 15 ) as Ge counter electrodes plates ( 16 ) or ring electrodes ( 17 ) are used. 8. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Matrix (20) aus elektrisch leitenden Polymeren, C- oder SiC-Keramiken gebildet und als elektrischer Gegenpol verwendet wird.8. Structure according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrically conductive matrix ( 20 ) made of electrically conductive polymers, C or SiC ceramics and is used as an electrical opposite pole. 9. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitende Matrix (30) mit einzelnen elek­ trisch leitenden Fasern (12) durchwirkt wird, die zur Bildung des Gegen­ pols für die Steuerspannung dienen.9. Structure according to one of claims 1 to 8, characterized in that the non-conductive matrix ( 30 ) with individual elec trically conductive fibers ( 12 ) is acted upon, which serve to form the opposite pole for the control voltage.
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