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Inhalt:

Charakterisierung und Modellierung der visko-elastischen, elektro-mechanischen, elektro-akustischen und elektretischen Eigenschaften von zellulären Polymerferroelektreten

Dipl.-Ing. Dr. Mario Hubert Dansachmüller

 Dipl.-Ing. Dr. Mario Hubert Dansachmüller

Betreuer und 1. Begutachter:

Univ.-Prof. Dr. Siegfried Bauer

2. Begutachter:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar

Rigorosum:

17. November 2008

   

Geladene, zelluläre Polymerferroelektretfolien bilden eine neue Klasse von elektro-mechanischen Wandlermaterialien. Ihre für Ferroelektrika typischen Eigenschaften, wie die Umkehrbarkeit ihrer permanenten, makroskopischen Ladungsdipole, haben zur Einführung des Begriffs Ferroelektret geführt.

Der Fokus in dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von stark anisotropen Polypropylen (PP) Ferroelektreten (FE), da diese einfach und in guter Qualität erhältlich sind. Ziel ist es aus den Untersuchungen Schlüsse für die Optimierung der Struktur und Anwendung von Ferroelektreten allgemein zu ziehen. Unter anderem wurden die mechanischen Eigenschaften und die Stabilität gegen ionisierende Strahlung untersucht.

Es wurde demonstriert, dass PP-FEe auf Grund der Viskoelastizität von PP bei konstanter Belastung starkes Kriechen zeigen. Die Verformung des Materials wird dabei kapazitiv gemessen (siehe Abbildung 1). Die Luft in den Zellen kann langsam aus dem Material herausdiffundieren. Es wird geschlossen, dass sich die Langzeitverformung über eine Diffusionsbarriere regeln lässt.

Die mechanischen Druck-Verformungs-Kurven von PP-FE-Folien hängen vor allem im Kleinsignalbereich stark von der Kraftkopplung ab (siehe Abbildung 2). Einer annähernd konstanten Steifigkeit bei über die Fläche druckkonstanter Kraftkopplung steht eine hoch nichtlinearen Druck-Verformungs-Kurve bei Ankopplung mit zwei harten Anpressflächen gegenüber. Analoges gilt für den pieoelektrischen Wandlerkoeffiezienten. Für Anwendungen als Drucksensoren kann daher empfohlen werden die FEe mit einer Kopplungsschicht zu versehen.

Die Eignung von PP-FE-Folien als Dosimeter für ionisierende Alpha-Strahlung wurde untersucht. Der Abfall des piezoelektrischen Koeffizienten (und damit der internen Ladung) wurde während der Bestrahlung in-situ mit nichtlinearer kapazitiver Dilatometrie gemessen. Die Empfindlichkeit von PP-FE-Folien mit einer Dichte von etwa 350 kg/m³ ist etwa 5 Größenordnungen kleiner als jene kommerzieller Elektret Ionisationskammern. Dies kann mit den geringen Zellenhöhen von einigen Mikrometern in PP-FE-Folien erklärt werden. Aus der Form der Entladekurve können bei Kenntnis der Matieralstruktur Schlüsse auf die ursprüngliche Verteilung der Oberflächenladungsdichte als Funktion der Hohlraumhöhe gezogen werden.

Abbildung 1: Aufbau zur quasistatischen Messung der Verformung von und der elektrischer Ladung auf weichen zellulären Ferroelektreten in Abhängigkeit des angewandten Druckes.

Abbildung 1: Aufbau zur quasistatischen Messung der Verformung von und der elektrischer Ladung auf weichen zellulären Ferroelektreten in Abhängigkeit des angewandten Druckes.

Abbildung 2: Verhältnis von Verformung zu Druck bzw. elektrischer Ladung zu Druck für eine PP-FE-Probe für die Kraftkopplung über zwei harte Pressflächen (schwarze Symbole), und für eine über die Fläche näherungsweise druckkonstanten Kraftkopplung.

Abbildung 2: Verhältnis von Verformung zu Druck bzw. elektrischer Ladung zu Druck für eine PP-FE-Probe für die Kraftkopplung über zwei harte Pressflächen (schwarze Symbole), und für eine über die Fläche näherungsweise druckkonstanten Kraftkopplung.