Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. Carsten Gachot

Präsentation zum Thema: "Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. Carsten Gachot"—  Präsentation transkript:

1 Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 1: Einleitung und Sensoren
Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. Carsten Gachot Organisatorisches: 15 min - Vorstellung - Teilnehmerliste: Name, -Adresse Welche Erwartungen an die Vorlesungen haben Sie? Welche Erwartungen habe ich?  Zusammenfassung der Ergebnisse auf Overhead Details zur Klausur: Termin festlegen 1

2 Vorbereitung Teilnehmerliste ausdrucken und ausfüllen lassen
Formalitäten klären: Teilnehmerliste ausdrucken und ausfüllen lassen Demonstrationsobjekt: Lambda-Sonde Klausurtermine klären: Haupt- und Nachklausur Checkliste von Frau Filipp beachten Studenten müssen sich acht Tage vor der Klausur über Hispos angemeldet haben!

3 Funktionswerkstoffe, Inhalte der Vorlesung
Einleitung und Sensoren Phasenumwandlungen Martensittransformationen Formgedächtniswerkstoffe Magnetismus: Repetitorium, Weichmagnete, Hartmagnete, magnetische Speichermedien Magnetische Formgedächtniswerkstoffe Magnetostriktion Dielektrika Piezoelektrische Werkstoffe Beschreibung des geplantes Ablaufes der Vorlesung: (7 min) Vorlesung Zwischenfazits, Zusammenfassungen, Wiederholungen  Vorstellung Mindmaps Brainstormings Kurzvorträge der Stundenten 3

4 Funktionswerkstoffe, Buchempfehlungen
„Physical Metallurgy Principles“ von Reed-Hill Wadsworth Verlag, 3. Auflage ISBN: „Phase Transformations in Metals and Alloys“ von D. Porter CRC Press Inc., Auflage ISBN: „Physikalische Grundlagen der Materialkunde“ von G. Gottstein Springer Verlag ISBN: „Werkstoffwissenschaft“ von Schatt & Worch Wiley - VCH, 9. Auflage ISBN: „Physikalische Chemie“ von P. Atkins Wiley - VCH, 3. Auflage ISBN: „Einführung in die Festkörperphysik“ von Ch. Kittel Oldenbourg Verlag, 14. Auflage ISBN: „Keramik“ von H. Schaumburg, B.G. Teubner Stuttgart, ISBN: 1 min 4

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

6 Noch kein Ende in Sicht! 2 Elemente 5.000 Systeme 80% bekannt
3 Elemente Systeme ca. 5% bekannt 4 Elemente Systeme < 1% bekannt … und strukturelle Vielfalt 3 min Die möglichen Forschungsbereiche sind noch lang nicht ausgereizt. Ein Blick auf´s Periodensystem verrät uns einiges über die Vielfalt auf diesem Gebiet. Bis zu 4000 verschiedene Stähle! Die meisten Stähle sind aus bis zu 10 Elementen zusammengesetzt. Fe, C, Mn, W, Mo, V, Nb, Al, Si, Cr. Man hat wie beim Kochen viele Zutaten aber es reicht nicht aus die Zutaten willkürlich zu vermischen sondern die Art und Weise, wie man die Bausteine zusammensetzt ist entscheidend. 6

7 Wir alle haben täglich mit Werkstoffen zu tun
3 min 7

8 Werkstoffe für extrem Anforderungen Was haben ein kraftwerk und ein Airbus gemeinsam?
1 min: Turbinenschaufel herumreichen Fragen: Welche Anforderungen werden an Turbinen gestellt? Hohe Temperaturbeständigkeit Mech. Stabilität  Birdstrike, Rotationskräfte 8

9 Turbinenwerkstoffe die „Multi-Talente“ in der Werkstoffwissenschaft
Enorme chemische Vielfalt …viele „Gesichter“ sind möglich! Konstruktive Vielfalt 6 min: Erklärung der Begriffe: Polykristall, gerichtete Erstarrung, Einkristall 9

10 Funktionswerkstoffe Was sind Funktionswerkstoffe?
Brainstorming: (6 min) Was sind FuWe? Was sind Sensoren/Aktoren TITAN IV (1985) TITAN IV was displayed at the Government Pavilion of the Science Exhibition at Tsukuba in 1985, and during the half year exhibition period it walked a total of approximately 40 kilometers continuing the round trip across a stage which had three different step levels as indicated in Photo. 4. In addition, afterwards it also realized static and dynamic fusion gaits in which gaits were automatically switched from a static state, a crawl gait, a dynamic state, and a trot gait, in which it walked using two diagonal legs alternately. TITAN IV walked at a velocity of 40 cm/sec. Werkstoffe, die mehr leisten sollen als Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit! 10

11 Sensoren und Aktoren Einleitung
Was sind Sensoren und Aktoren ? Sensoren 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. Brainstorming (3 min) Welche Sensoren und Aktoren kennen Sie? 11

12 Sensoren und Aktoren Sensorbeispiele
Ultraschallsensor Photowiderstände CCD-Sensor Temperatursensoren 1 min Drucksensor Beschleunigungssensor Durchflusssensor 12

13 Sensoren und Aktoren Sensoren in der Fahrzeugtechnik
[Quelle: Sprick, N., Uni Mainz] 13

14 Sensoren und Aktoren Beispiel 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. 14

15 Sensoren und Aktoren Beispiel 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. 15

16 Sensoren und Aktoren Beispiel I
Die Lambda-Sonde 16

17 Sensoren und Aktoren Beispiel 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] 17

18 Sensoren und Aktoren Beispiel III
Medizintechnische Anwendungen: Video: Bending Auf den FGL-Effekt hinarbeiten, ohne das Prinzip zu verraten. Fazit: Gemeinsame Mindmap erstellen Organisatorisches Inhaltliches Reference：Small Diameter Active Catheter Using Shape Memory Alloy Coils; Trans. IEE of Japan, Vol.120-E No.11 (2000), p ; Y.Haga and M.Esashi 18