Untersuchungen zur Hochtemperatur-Piezoresistivität in kohlenstoffhaltigen Siliciumoxycarbid-Nanokompositen

• Antragsteller: Professor Ralf Riedel; Professor Dr.-Ing. Roland Werthschützky
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 232234385

Im Zentrum der geplanten Untersuchungen stehen multifunktionale SiOC-basierte Nanokomposite, deren piezoresistive Eigenschaften bisher nur unzureichend dokumentiert und aufgeklärt sind. Zum weitergehenden Verständnis des piezoresistiven Effekts in diesen (Hochtemperatur)Materialien sollen daher zwei, im wesentlichen komplementäre Studien durchgeführt werden: Zum einen materialwissenschaftliche Untersuchungen zur Bestimmung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, zum anderen technisch-wissenschaftliche Untersuchungen zur Eignung und zu Einsatzmöglichkeiten als neuartige Kraft- und Drucksensoren in bisher unzugänglichen Einsatzbereichen (hohe Temperaturen, oxidative und korrosive Umgebung). Die materialwissenschaftlichen Untersuchungen umfassen i) die Präparation von SiOC-Keramiken mit unterschiedlichen Gehalten an phasensepariertem Kohlenstoff, ii) röntgenographische, elektronenmikroskopische und spektroskopische Charakterisierung der chemischen Zusammensetzung und der Mikro- und Nanostruktur der Proben sowie iii) die Bestimmung des jeweiligen elektrischen Widerstandes unter Kraft- und Druckbeaufschlagung. Speziell in-situ Messungen der Raman-Banden des Kohlenstoffs sowie des piezoresistiven Effekts sollen Aufschluss geben, inwieweit der Effekt allein an die Mikrostruktur der elektrisch leitfähigen Kohlenstoffkomponente gebunden ist. Weitere Hinweise zur Modellbildung (z. B. tunneling percolation, hopping transport innerhalb eines Kohlenstoffnetzwerkes, etc.) werden aus temperaturabhängigen Messungen erhalten. Schwerpunkte innerhalb der technisch-wissenschaftlichen Arbeiten sind i) der Aufbau der Messanordnungen zur präzisen Bestimmung des piezoresistiven Effekts, ii) die phänomenologische Beschreibung bzw. Wertung der Messergebnisse mit Hilfe der Grundgleichungen zur Piezoresistivität sowie iii) die experimentelle Analyse der Reproduzier-barkeit und Langzeitstabilität der Kennlinie von Messelement-Mustern. Die erzielten Ergebnisse werden hinsichtlich der typischen Anforderungen für Kraft- und Drucksensoren sowie den gegenwärtigen Defiziten in ausgewählten Anwendungsgebieten bewertet. Daraus werden mögliche Einsatzfälle und erste Konzepte zur Umsetzung abgeleitet. Die zu erwartenden Vorteile betreffen vor allem eine Erweiterung des Druckmess- und des Einsatztemperaturbereiches der Sensoren, eine erhöhte Kriechfestigkeit auch bei höheren Belastungen, verbesserte chemische Beständigkeit und kostengünstigere Fertigung der Messelemente.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen