Elektrisch leitfähige Verbundwerkstoffe als Sensorschicht
Von Dr. Oliver Senkel, Bourns Sensors GmbH, Sauerlach
Moderne Werkstoffe gewährleisten eine hohe Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität
von Produkten im täglichen Gebrauch. Eine Realisierung neuer Technologien lässt sich
nur noch bedingt durch den Einsatz von traditionellen Werkstoffen erreichen. Für innovative Produkte in der Zukunft müssen neue Werkstoffklassen mit maßgeschneiderten
Eigenschaftsprofilen entwickelt werden. Verbundwerkstoffe (Composite, Hybridwerkstoffe) stellen dabei aus technischer und ökonomischer Sicht ein großes Potenzial dar. Verbundwerkstoffe bestehen aus einer Kombination von mindestens zwei unterschiedlichen Materialien. Dabei handelt es sich um nicht-additive Eigenschaften, weil der Verbundwerkstoff Gesamteigenschaften aufweist, die nicht die
Summe der Eigenschaften der Einzelkomponenten darstellen. Dabei zählen Verschleißfestigkeit, Härte, Temperaturstabilität,
Korrosionsbeständigkeit, Elastizität, Gewicht, elektrische und magnetische Eigenschaften zu den wesentlichen Merkmalen.
Dieser Beitrag stellt in Struktur und Funktion einen Verbundwerkstoff für die Automobilelektronik vor, der sich aus organischen und anorganischen Rohstoffen zusammensetzt. Den organischen Anteil bilden Kunstharze als makromolekulare Matrix (polymeres Grundgerüst). Den anorganischen Anteil bilden Ruße (Kohlenstoffpulver). Das elektrisch leitfähige
Netzwerk besteht aus einzelnen Rußpartikeln, die wie in einer Kette angeordnet sind und als Perkolation bezeichnet wird.
Entwicklung
Es wurden rheologische Untersuchungen von Harzlösungen und Ruß-dotierten Mischungen getrennt in einem großen Frequenzfenster mittels oszillatorischer Messungen durchgeführt. Die Harzlösung zeigt über den gesamten Frequenzbereich einen linearen Anstieg der Viskosität bei doppelt-logarithmischer Auftragung. Je größer die angelegte Frequenz ist, desto höher sind auch die Fließeigenschaften der Harzlösung. Bei der Zugabe von Ruß wird eine deutliche Abweichung festgestellt. Es zeigt sich nur noch oberhalb von einem Hertz ein linearer Anstieg der viskosen Eigenschaften. Im kleinen Frequenzbereich unterhalb von einem Hertz wird keine Abhängigkeit gefunden. Diese Unterschiede des rheologischen Verhaltens lassen sich auf die Wechselwirkung Füllstoff-Polymermatrix zurückführen. Die Oberf lächengruppen des
Rußes treten in Wechselwirkung mit den funktionellen Gruppen des Harzes. Aufgrund dieser Chemisorption wird die Bindung zwischen Polymer und Rußoberfläche wie eine mechanische Feder mit elastischen Eigenschaften verstanden. Somit wirkt der externen oszillatorischen Kraft im kleinen Frequenzbereich die Ruß- Polymermatrix elastisch entgegen. Erst bei höheren Frequenzen beginnt die Lackmischung zu fließen. Somit lassen sich Widerstandslacke als viskoelastische Polymermischungen beschreiben.
Applikation
Bei Bourns werden elektrisch leitfähige Schichten für die Automobilelektronik mit Siebdruck auf ein festes Trägermaterial aufgedruckt. Jede Widerstandsschicht stellt aufgrund seiner unterschiedlichen Rohstoff-Zusammensetzung einen individuellen Werkstoff mit einem hohen mechanischen Verstärkungsgrad aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften
dar. Die Hauptapplikation liegt im Bereich der Drive-by-Wire-Technologie für Drosselklappe und Gaspedal im Motormanagement, die über einen langen Zeitraum von zehn Jahren bei 500 000 Kilometer Fahrleistung als eine stabile und kostengünstige Steuerungstechnologie zuverlässig arbeiten müssen. Die Sensortechnologie basiert auf potenziometrischen
Schaltungen, bei denen durch Kontakt einer Edelmetallspitze auf elektrisch leitfähigen Schichten ein ohmscher Widerstand
abgetastet wird. Die Lebensdauer der Schicht beträgt zehn Millionen Zyklen bei einem sehr geringen Abrieb von drei Mikrometer. Die gesamte Applikation muss im Temperaturfenster von -40 bis +140 Grad Celsius störungsfrei funktionieren, weil es sich um sicherheitsrelevante Bauteile im Fahrbetrieb handelt. Der Füllstoff Ruß verleiht der Widerstandschicht als Verbundwerkstoff viskoelastische, elektrisch leitfähige und mechanisch verstärkende Eigenschaften, die keine der beteiligten
Rohstoffe alleine besitzt. Als Vorteile der vorgestellten Potenziometertechnologie werden die kostengünstigen Rohstoffe, die technisch einfache Umsetzung mit Siebdruck und die vielfältigen Modifikationen der Lackvarianten gesehen. Diese Werkstoffwissenschaftlichen Entwicklungen tragen zur technologischen Weiterentwicklung der Sensortechnologie bei.
Die steigenden Anforderungen an die Bauelemente können nicht allein mehr durch Optimierungen und Änderungen der Konfiguration der Bauelemente erreicht werden. Es ist zwingend notwendig, in Zukunft neue Materialien und Rohstoffe einzusetzen. Im Bereich Motormanagement stehen Gewichtsreduzierung und zunehmende thermische Belastung der Werkstoffe im Vordergrund. Nur durch genaue Auswahl funktionalisierter Werkstoffe ist den gehobenen Anforderungsstandards im Automobilbereich Rechnung zu tragen. Ein wesentlicher Beitrag zur Werkstoffinnovation liegt in der Kombination und Modifikation von neuen Verbundwerkstoffen.
Firma: Verlag Elisabeth Klock
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