The description of the embedding process (deformations and stressesduring hot pressing of the components and cool down of the board) can provide the producer with design parameters and rules for production of more reliable boards (i.e. where all components survive the embedding process). The development of a Finite Element model to describe the embedding process and the determination of the strength of miniaturisedembedding components have been the focus of this project (Fig. 2).

Since more than twenty years high strength silicon nitride ceramics for structural applications have been developed. During this period several successful demonstrations of the general suitability of silicon nitride ceramics for structural applications, e.g. as material for turbo charger rotors, were achieved as well as examples for material related design. Nevertheless a break-through in the use of these materials for high strength applications did not take place. The most important reason for this can be found in a significant lack of design relevant data, e.g. on crack growth and fatigue.

In a joint European research program organised by the European Structural Integrity Society (ESIS) a complete set of material properties and data indispensable for design will be measured for a commercially available silicon nitride ceramic. The data set will comprise all relevant strength and crack extension parameters, cyclic fatigue data at ambient and also at elevated temperatures. Data correlated to contact mechanical problems and wear will also be determined.

It is expected, that this program will

• result in a complete data base for mecahnical design,
• enhance the use of silicon nitride ceramics in structural applications,
• make a fair comparison between alternative materials possible,
• give a base line for further material development
• and will produce synergistic effects in future research work in this class of materials.

Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCCs) are 3D micro-network of metal structures embedded within a glass-ceramic substrate, also known as Ceramic Printed Circuit Boards (see Fig. 1). They are used as high precision electronic devices (e.g. mobile and automotive technologies). The co-sintering of ceramic substrates with metallic conducting paths (Leiterbahnen) at low temperatures (i.e. 900 °C) enables the use of Ag and Cu as electrode material (see Fig. 2). In relation to typical polymer circuit boards (e.g. PCB), LTCCs are thermo-mechanically more stable (i.e. higher E-modulus, lower Thermal Expansion Coefficient) and can withstand higher acceleration forces (up to ca. 60g). The can be utilized in high temperature environments (until 180 °C), which facilitates the use of LTCC in systems that are to be both thermal- and mechanically loaded.

An important problem during the fabrication of LTCCs is the high rejection rates which are related to the formation of cracks in the glass-ceramic substrate (see Fig. 3) as well as delaminations between the ceramic sheets and metal electrodes. The identification of “weak points” in the design of LTCCs has been the main goal of this project. For this task, new miniaturised testing methods have been developed (see Fig. 4) to determine the mechanical strength at different locations within the part. A new finding has been identified, namely the effect of humidity on the mechanical resistance of the LTCC substrate. This means that an LTCC in-service in locations with high humidity content may h half of the life time than a component utilized in dry environments. This know-how has been transferred to the companies involved in the project and is now daily practice in the LTCC production to control humidity and temperature.

Regelsysteme auf Basis piezokeramischer Bauteile werden erst seit kurzem für Einspritzsysteme von PKW-Motoren in Serie hergestellt und eingesetzt. Die Bauteile (Stacks) weisen einen Vielschichtaufbau aus Keramik / Metall auf. In den keramischen Schichten werden starke elektrische Felder erzeugt, die Längenänderungen des Stacks hervorrufen und zum Steuern des Einspritzvorganges verwendet werden.
Für die Verbesserung und Weiterentwicklung solcher Aktoren ist eine genaue Kenntnis der Eigenschaften seiner Werkstoffe (Elastizitäts-, Kopplungs- und Dielektrizitätsmatrizen, Festigkeiten etc.) entscheidend. Die Verlängerung der Stacks hängt in komplizierter Weise von den aufgebrachten elektrischen Feldern und den mechanischen Beanspruchungen sowie vom Ausgangszustand der Keramik (Polung) und von Alterungsvorgängen ab, deren Auswirkungen noch nicht hinreichend bekannt sind.
In diesem Vorhaben wurden die für das Einsatzverhalten von Piezostacks relevanten Eigenschaften der vorkommenden Materialien bestimmt und der Einfluss des Schichtaufbaus und der Polung auf das Einsatzverhalten ermittelt. Diese Untersuchungen sollen mittelfristig zur Verbesserung bestehender Teile und langfristig zur zielgerichteteren Entwicklung neuer Teile verwendet werden.
Im Projekt wurde eine Prüfvorrichtung zur mechanischen und elektrischen Beanspruchung der Stacks aufgebaut. Der Response der Stacks auf elektrische Signale wurden bei verschiedenen mechanischen Vorlasten untersucht.

wissenschaftlicher Partner:  Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL), Leoben, Austria

Industriepartner: EPCOS OHG, Deutschlandsberg, Austria

Key Researcher:        Ao. Univ.-Prof. Dr. Peter SUPANCIC
                                o. Univ.-Prof. Dr. Robert DANZER
Senior Researcher:    Mag. Dr. Günther MAIER
Junior Researcher:     Dipl.-Vw. DI Hannes GRÜNBICHLER
                                Mag. Josef KREITH

To combine the intrinsic qualities of different materials in a single material, the general concept of layered materials is applied nowadays at an increasing rate. We can distinguish, as layered material, between coatings, multilayers or functional graded materials, presenting, all of them, a variation of the local properties with thickness. The use of ceramic materials in this materials permits the use of many of the advantages of the ceramics (corrosion and wear resistance, good properties at high temperature, …) while minimizing the undesirable ones, such as brittleness. Understanding the structural integrity of the layered ceramics is, then, of capital importance in order to assure a safe and long lasting application of this materials. The objectives of this research Training Network are then:
1 – To develop common understanding of existing and new techniques to assess the reliability and structural integrity of layered ceramics
2 – to improve and compare techniques to process and design layered ceramics
3 – to develop an international multidisciplinary network and to train young researchers in the field of structural integrity of layered ceramics.

Projektleiterin ISFK: T. Lube
Mitarbeiter: Javier Pascual, Raul Bermejo
1.9.2002 - 31.8.2006

Five workshops and a summerschool took place:

• "The use of the Impulse Excitation Technique for the identification of the elastic and damping properties of layered materials" K.U. Leuven
• "Instrumented Indentation" UPC
• "Microstructure characterization and fractography of layered ceramics" IMR-SAS
• "Modelling of the thermo-mechanical behaviour of brittle materials and layered structures" ISFK
• "Controlling structural vibration using optimised layered coatings" USFD
• "Summerschool: " Layered, Functional Gradient Ceramics and Thermal Barrier Coatings: Design, Fabrication and Application

Zusammenfassung des wissenschaftlichen Outputs von SICMAC am ISFK: PDF

Federn sind mechanische Energiespeicher, die im Maschinen- und Anlagenbau vielfältige Verwendung finden. Gute Federn können besonders viel Energie bei möglichst geringem Eigengewicht aufnehmen. Grundsätzlich sind sehr unterschiedliche Werkstoffe für die Herstellung von Federn geeignet: Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, Metalle und Keramiken. Für die ersten drei Werkstoffklassen gibt es eine Vielzahl von Beispielen für deren erfolgreichen Einsatz. Bei den Keramiken aber sind noch keine Anwendungen als Federwerkstoff bekannt, obwohl sie wegen ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturstabilität den anderen Werkstoffen in korrosiver Umgebung und bei hohen Temperaturen (höher als 500°C) überlegen sind. Dies ist vermutlich auf die Sprödigkeit der Keramiken und - als Folge davon - auf ein mangelndes Vertrauen der Konstrukteure in ihre Zuverlässigkeit zurückzuführen. In einem Forschungsauftrag des Bundesministeriums für Wissenschaft und Verkehr an das Institut für Struktur- und Funktionskeramik (ISFK) der Montanuniversität Leoben wurde als Beispiel eine keramische Tellerfeder mit hoher Zuverlässigkeit konstruiert. Dabei wurde auf die Besonderheiten aufgrund der Neigung der Keramiken zum Versagen durch spröden Bruch besonders eingegangen. Die dabei entwickelten Berechnungsgrundlagen können leicht auf andere Federn übertragen werden. Ein Vergleich mit den sehr häufig verwendeten metallischen Federn zeigt interessante Unterschiede: bei Tellerfedern sind beispielsweise die Unter- und die Oberseite unterschiedlich belastet. Die in der Oberseite auftretenden Druckspannungen sind bei typischen Federabmessungen etwa zwei bis dreimal höher als die an der Unterseite auftretenden Zugspannungen. Bei den Stählen ist die Beanspruchbarkeit unter Zug- und Druckbelastung ähnlich, daher treten Schäden in Stahlfedern zunächst an der maximal beanspruchten Stelle, d.h. an der Oberseite auf. Bei Keramiken ist die Druckfestigkeit aber im Regelfall etwa zehn mal höher als die Zugfestigkeit. Daher tritt die Schädigung nicht an der maximal beanspruchten Oberseite (an der Druckspannungen auftreten) sondern an der weniger beanspruchten Unterseite (wo Zugspannungen vorherrschen) auf. Dieser und auch andere Unterschiede werden in einem Vergleich einer metallischen mit einer keramischen Feder einander gegenübergestellt.

Eine weitere Ursache für die geringe Verwendung von Keramiken besteht darin, daß viele der Werkstoffeigenschaften, die für das Konstruieren benötigt werden, nur ungenügend bekannt sind. In diesem Projekt wurden daher die wesentlichen Materialkennwerte für die Berechnung einer keramischen Feder für Einsatzbereiche bis 800 °C experimentell ermittelt.

Mit diesen Arbeiten sind die wesentlichen Voraussetzungen für die Konstruktion und den Einsatz keramischer Tellerfedern geschaffen. Ganz allgemein hilft diese Arbeit eine wichtige Lücke zu schließen: Keramiken gelten wegen ihrer Eigenschaften als Schlüsselelemente für neue Technologien. Die günstigen Eigenschaften sind aber nur nutzbar, wenn neue Konstruktionsprinzipien entwickelt und genutzt werden, um das spröde Versagen zu vermeiden. Hier wird ein Beispiel für das Konstruieren mit keramischen Werkstoffen gegeben, das auch als ganz allgemein als Musterlösung verwendet werden kann. Damit wird ein wichtiger Beitrag für die technische Einführung der Keramik im Maschinenbau geleistet, da solche „Musterlösungen" zur Zeit noch weitgehend fehlen. Das erarbeitete Wissen kommt auch der einschlägigen österreichischen Industrie bei der Entwicklung keramischer Teile zunutze.

...für Form- und Profilwalzen und andere Komponenten der Walztechnik

Diese Ziele sollen erreicht werden durch

• Systemorientierte Werkstoffentwicklung
• Keramikgerechte Konstruktion
• Optimierte Bauteilfertigung
• Präzisionsbearbeitung
• Ableitung von Einsatzstrategien

Zusammenfassung des wissenschaftlichen Outputs von SICMAC am ISFK: PDF