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DGM-DKG-Strategieworkshop

"Zukunftspotenziale von Hochleistungskeramiken"

Keramiken für mobile Anwendungen

Volker Knoblauch*, Gert Lindemann**, Gunnar Picht**

mit Beiträgen aus Expertenstudie „HLK“ von A. Naake/VW AG, A. Schletz/FhG IISB,

U. Alkemade/R. Bosch GmbH, U. Gärtner/Daimler AG, T. Koch/KIT, K. Joachim/DGM

1DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“

* Hochschule Aalen, Institut für Materialforschung

** Robert Bosch GmbH, Forschung und Vorausentwicklung Werkstoffe

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● „Entwicklungsstrategische“ Vorbetrachtungen

● Applikationsbeispiele und Lösungskonzepte im Kraftfahrzeug

und abgeleitete Forschungsbedarfe

Fokus Materialein und Fertigungsprozesse – Zuverlässigkeitskonzepte

Fokus Thermomanagement im Antriebs- und Abgasstrang

Fokus Abgasreinigung von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren

Fokus Keramik für mobile Leistungselektronik

Fokus Elektromobilität/Batterietechnik

● Wichtige Querschnittstechnologien

● Zusammenfassung

Gliederung

Quelle: CeramTec AGDGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“

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Von der Markt- zur Werkstoffanforderung

Werkstoffentwicklung in der Zeitfalle

Markt / Applikation System Komponente

BauteilWerkstoffSystem-Pull

• Chemie & Kristallographie

• Mikrostruktur

• Konstitutives Verhalten

• Prozess-/Fertigungstechnik

• Analytik und Prüftechnik

• Zuverlässigkeit

• ….

Technolgie-

PushEntwicklungszeit

rd. 8-10 Jahre

Quelle: CeramTec AGDGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“

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Von der innovativen Werkstofflösung zum Serienprodukt

Beweislast liegt bei der Werkstoffentwicklung

OEM / Automobilhersteller Tier 1-Zulieferer / System- und Komponentenhersteller

Tier 2/3-Zulieferer / Werkstoff- und Bauteilhersteller

• Chemie & Kristallographie

• Mikrostruktur

• Konstitutives Verhalten

• Prozess-/Fertigungstechnik

• Analytik und Prüftechnik

• Zuverlässigkeit

• ….

DGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“

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Hochleistungskeramiken im Automobil

Vernachlässigbare Mengen?

Quelle: BMW AG, TH Nürnberg


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Hochleistungskeramiken als Schlüsselkomponenten und

„Enabler“ mit großem Hebel

Glühstiftkerze

Park Pilot

λ-Sensor

NOx-Sensor

Einspritzsystem

(Piezoaktor)

Zündkerze

Partikelfilter

Katalysator

Öldrucksensor

Bremsen-

komponenten

Air Bag Sensor

ESP

Hochdruck-

pumpe

Luftmassen-

sensor


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Alleinstellungsmerkmale keramische Schichten:

● Grundsätzlich vorteilhaftes Profil der ther-

mischen Eigenschaften (insbes. geringe

Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität)

● Hohe thermische & chemische Beständigkeit

Optimierte Brennverfahren („Temperatur-

Swing“), reduzierter Kühlaufwand, erhöhte

Abgastemperatur => weitere Potenziale zur

Energierückgewinnung (z.B. TC-Motoren)

Thermomanagement im Antriebs- und Abgasstrang

Hochleistungsbeschichtungen

Forschungsbedarfe (u.a.)

● Maßschneidern des Eigenschaftsprofils:

thermische, mechanische und tribologische

Eigenschaften

● Steigerung thermomechanische Robustheit

(Bruchzähigkeit, TW-Beständigkeit)

● Verständis für Verhalten des Multimaterial-

verbunds unter hoher thermischer Last

Quellen: ATM (2013),

Daimler AG

Zylinderblock:

rd. 35 %

Kammer:

rd. 25 %

Auslasskanal:

rd. 25 %

Abgaskrümmer:

rd. 15 %


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Alleinstellungsmerkmale Keramik (z.B. Si3N4)

● Geringe Dichte

● Hohe thermische und chemische Beständigkeit

Kurze Ansprechzeit („kein Turboloch“) und

hohe chemische Robustheit

Thermomanagement im Antriebs- und Abgasstrang

Strukturkeramiken am Beispiel Turbinenrotoren für Turbolader


● Verbessertes quantitatives Verständnis der

Fertigungsprozesskette

● Darstellung der erforderlichen Qualität mit

möglichst kostengünstigen Prozessen

● Abgesicherte Vorgehensweise zur

Zuverlässigkeitsauslegung und Q-Sicherung

● Weitere Steigerung der mechanischen

Robustheit (=> Bruchzähigkeit, Streuung)

Quellen: Borgwarner,

KyoceraDGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“

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Alleinstellungsmerkmale Keramik

● Hohe thermische und mechanische Stabilität

sowie sehr gute elektrische Isolationseigen-

schaften bei hoher thermischer Leitfähigkeit

hohe Integrationsdichte, kleiner Bauraum auch

für hohen Leistungen

Geeignet für Einsatz in „Harsh-Environment“,

z.B. für motornahen Einbau (Vibration, Temp.)

Mobile Leistungselektronik am Beispiel keramischer

Schaltungsträger


● Optimierung des Eigenschaftsspektrums

„Wärmeleitfähigkeit“, „(Thermowechsel-)

festigkeit“ und „Kosten“

● Erhöhung Durchschlag- und Teilentladungs-

festigkeit

● Innovative Entwärmungskonzepte, z.B.

Mischkeramiken oder Verbundwerkstoffe

Quellen: CeramTec AG,

FhG IISBDGM-DKG-Strategieworkshop "Zukunftspotenziale für HLK“

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Alleinstellungsmerkmale Keramik

● hohe Ionenleitfähigkeit & elektrisch isolierend

● nicht brennbar

erhöhte Sicherheit im Vergleich zu

konventionellen Systeme

Materialien und Bauweise von Feststoffbat-

terien versprechen eine hohe Energiedichte

(> 400 Wh/kg) und Reichweiten von > 400 km

Batterietechnik am Beispiel keramischer Festkörperelektrolyte

für Elektroden und als Separatoren


● Geringe Grenzflächenwiderstände zwischen

Elektrolyt und Stromableiter bzw. zwischen

Elektrolyt und Aktivmaterial

● Zell- und Stack-Design für Betrieb mit Lithium-

Metallanoden (Volumenänderung, mecha-

nische und elektrochemische Beständigkeit)

● Kostengünstige Prozesstechnologien

(1) P. H. L. Notten et al., Adv. Energy Mater. 2011, 1, 10–33; (2) F. Lalere et al., Journal Power Sources 247 (1) (2014) 975

(1)

(2)


Querschnittstechnologie “Numerische Modellierung und

Simulation auf unterschiedlichen Skalen”

Material Herstellprozess Bauteilauslegung Zuverlässigkeit

Vorhersage von

Eigenschaften

• Atomistische

Simulationen

• Nanoskalen-

experimente

Simulation von

• Pulverpressen

• Spritzgießen

• Sintern

• Werkstoff-

verhalten

• Werkstoff-

modelle

• Spannungs-

analyse

• Schädigung /

Ermüdung

• Stochastische

Analyse

• Lebensdauer

Numerische und experimentelle Bewertung von funktionalen und

mechanischen Aspekten für verschiedene Prozesse und Skalenlängen


Material-/Mikrostruktursimulation am Beispiel Li-Ionen-

Batterie


Beispiel

Li-Ionen-Batterie




Simulation des Ein- und Auslagerns von Li-Ionen in die

keramischen Speicherpartikel beim Be- und Entladen

Problemstellung:

● Das Ein- und Auslagern von Li-Ionen in

die keramischen Speicherpartikel

während des Be- und Entladens führt zu

inhomogenen Li-Konzentrationen

innerhalb der Partikel.

● Draus resultieren Eigenspannungen in

den Partikeln, die zu Mikrorissen in den

Partikeln führen können.

● Dieser Mechanismus trägt zur Alterung

der Li-Ionen-Batterien bei und ist von

vielen Faktoren wie z.B. Stromrate und

Partikelgröße abhängig.

Zielstellung der Simulation:

● Erlangen eines quantitatives Verständnis

der zahlreichen Einflussfaktoren.


Materialmodell zur Simulation des Ein- und Auslagerns von

Li-Ionen


Eigenspannungen und Rissbildung in Speicherpartikel beim

Be- und Entladen

Spannungsverteilung in

Partikel bei Stromrate 3C

Simulation der elektrochemisch induzierten mechanischen Spannungen in

Abhängigkeit der Partikelgröße und –form, Stromrate und Materialparameter

Spannungsverteilung in

Partikel bei Stromrate 7C

Geschädigter Partikel im REM

(LiMn2O4)


Videos_Klinsmann/LMO_c_rate_7_concentration.avi




Prozesssimulation am Beispiel Zündkerze


Beispiel

Zündkerze




Simulation des Verdichtungsprozesses und der resul-

tierenden Dichteverteilung im (grünen) Zündkerzenstein

Problemstellung:

● Beim Verpressen der Zündkerzensteine

können, abhängig von Pulvercharak-

teristik, Pressform und Prozess-

parametern Dichteunterschiede auftreten.

● Daraus resultiert u.a. lokale Porosität im

gesinterten Zustand.

● Dies führt lokal zu einer verminderten

Durchschlagsfestigkeit, was insbe-

sondere für kleinbauende Zündkerzen für

Motoren mit hoher Leistungsdichte nicht

tolerierbar ist.

Zielstellung der Simulation:

● Simulationsgestützte Optimierung der

Einflusgrößen für eine hohe und

homogene Dichte des Zündkerzensteins

im Grünzustand.

Isostatisches

Pressen

Sintern

Füllen und

Identieren


● Modellierung des Werkstoffverhaltens mit einem plastischen Modell*

● Implementierung des Werkstoffmodells in einen Finite-Element-Code

● Bestimmung der Modellparameter mittels angepasster Experimente

Materialmodell zur Simulation des Verdichtungsprozesses

Cap- Bereich

Drucker-

Prager

Linie

Hydrostatischer

Druck

Vo

n-M

ise

s

Sp

an

nu

ng Drucker-Prager/cap-Modell

Versuchsvorrichtung

18Quelle: FhG IWM


Dichtegradienten durch Einführen der Nadel und quasi-

isostatisches Kompaktieren des Pulvers

Steel plate

Rubber die

Powder

Needle

Supporting plate


C:/Users/00306/Documents/Forschung_Kooperationen/Verbandsarbeit/DGM_DKG_Koordinierungsausschuss_HLK/Sitzung_082014/indentation.avi

C:/Users/00306/Documents/Forschung_Kooperationen/Verbandsarbeit/DGM_DKG_Koordinierungsausschuss_HLK/Sitzung_082014/indentation.avi

C:/Users/00306/Documents/Forschung_Kooperationen/Verbandsarbeit/DGM_DKG_Koordinierungsausschuss_HLK/Sitzung_082014/compaction.avi

C:/Users/00306/Documents/Forschung_Kooperationen/Verbandsarbeit/DGM_DKG_Koordinierungsausschuss_HLK/Sitzung_082014/compaction.avi

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Querschnittstechnologie “Numerische Modellierung …”

Forschungsbedarf

Material:

● Materialscreening auf atomarer Ebene zum virtuellen Materialdesign, z.B.

zur Substitution von toxischen und seltenen Elementen

Herstellprozess:

● Simulationsmethoden zur Vorhersage von Pulver-Spritzgussprozess

● Physikbasierte Sintersimulation auf Gefügeebene (z.B. Phasenfeldmodelle)

Zuverlässigkeit:

● Stochastische Methoden zur Abbildung von Unsicherheiten und Streuungen

bei der Zuverlässigkeitsgestaltung

Übergeifend:

● Effektive Verfahren zur Multiskalenkopplung

● Entwicklung handhabbarer Tools, auch für d. breiteren industriellen Einsatz

● Validierung auf unterschiedlichen Skalen


Umfangreiche Vorlaufforschung - kooperativ, risikobehaftet – notwendig, um Konzepte

zu Innovationen zu machen und Querschnittstechnologien weiter zu entwickeln.

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Zusammenfassung

● Hochleistungskeramiken bereits heute an vielen Stellen „Enabler“ von

Systemlösungen zur Verbrauchs- und Abgasreduzierung sowie für

Sicherheitsfunktionen im Kraftfahrzeug.

● Zahlreiche neue vorteilhafte keramische Lösungskonzepte in Industrie und

Wissenschaft vorhanden, die einen wesentlichen Beitrag für eine

ressourcenschonende Mobilität leisten können.

● Querschnittstechnologien sind wesentliche Voraussetzung zur Verkürzung

der „time to market“, Sicherstellung der Zuverlässigkeit und Reduzierung von

Kosten.

● Warten auf die Markt-/Systemanforderungen ist aus Werkstoffsicht

angesichts der langen Werkstoffentwicklungszeiten problematisch, es

müssen verstärkt systemerprobe Lösungen angeboten werden.
