Produkte

Macro Fiber Composite™ (MFC)

Das führende flache Aktor-, Sensor- und Generatorgerät

Flexibel, langlebig und zuverlässig

Erhöhter Wirkungsgrad des Dehnungsaktors

Richtungsabhängige Betätigung und Erkennung

Schadenstolerant

Passt sich den Oberflächen an

Verschiedene piezokeramische Materialien verfügbar

Smart Material – Heimat des Macro Fiber Composites™

Das Macro Fiber Composite™ (MFC) ist der führende, kostengünstige Aktor, Sensor oder Generator mit hoher Leistung, Flexibilität und Zuverlässigkeit.

Das Macro Fiber Composite™ wurde 1999 von der NASA erfunden. Im Jahr 2002 begann Smart Material diese Erfindung als lizenzierter Hersteller und Vertreiber der NASA weltweit zu vermarkten. Seitdem haben wir das Macro Fiber Composite™ kontinuierlich verbessert und angepasst, um den spezifischen Bedürfnissen unserer Kunden und den Anforderungen neuer Anwendungen gerecht zu werden.

Bis 2021 zählten wir weltweit mehr als 1.300 Macro Fiber Composite™-Publikationen, die verschiedene Anwendungen,-Eigenschaften und seine Zuverlässigkeit dokumentieren.

Macro Fiber Composite™-Typen

Die Macro Fiber Composites™ sind in den Betriebsarten 3-3 und 3-1 erhältlich. Dies ist ein einzigartiges Merkmal des Macro Fiber Composite™.

Macro Fiber Composite™ P1 Typ –
d33 Betriebsart

Macro Fiber Composites™ des Typs P1, einschließlich der Typen F1 und S1, nutzen den
d33-Effekt für die Betätigung. Sie dehnen sich bis zu 1800 ppm aus, wenn sie mit der maximalen Spannungsrate von -500 V bis +1500 V betrieben werden. Als Sensor hat das P1-Macro Fiber Composite™ eine typische Empfindlichkeit von etwa 400 pC/N.

Macro Fiber Composite™ Typ P2 und P3 – Betriebsart d31

Die Macro Fiber Composites™ P2 und P3 nutzen den d31-Effekt für die Betätigung, Erkennung und Ladungserzeugung. Sie ziehen sich bis zu 750 ppm zusammen, wenn sie mit der maximalen Spannungsrate von -60 V bis +360 V betrieben werden. Als Dehnungssensor weisen sie eine Empfindlichkeit von 200 pC/N auf. Sowohl P2 als auch P3 Macro Fiber Composites™ werden am häufigsten für Energy-Harvesting (PEH) und als Dehnungssensoren eingesetzt.

Individuelles Macro Fiber Composite™-Design

Neben der Herstellung von Macro Fiber Composites™ in einer Vielzahl von Standardgrößen bieten wir auch zahlreiche spezielle Macro Fiber Composites™-Layouts an. Spezial Macro Fiber Composites™ haben komplexere Designs, einschließlich Arrays aus einzelnen Macro Fiber Composites™, und ermöglichen auch die Integration von elektronischen Komponenten in die MFC.

Wie funktioniert ein Macro Fiber Composite™?

Das Macro Fiber Composite™ besteht aus rechteckigen Piezokeramikstäben, die zwischen Schichten aus Klebstoff, Elektroden und Polyimidfolie eingebettet sind.

Macro Fiber Composites™ als Aktuator, Sensor und Energy-Harvester

Das Macro Fiber Composite™ kann auch als dünne, oberflächenverformbare Folie auf verschiedene Arten von Strukturen aufgebracht (in der Regel verklebt) oder in eine Verbundstruktur eingebettet werden. Wird eine Spannung angelegt, wirkt er als Aktor, der Materialien verbiegt oder verformt, Vibrationen entgegenwirkt oder Vibrationen erzeugt. Liegt keine Spannung an, kann er als sehr empfindlicher Dehnungsmessstreifen fungieren, der Verformungen, Geräusche und Vibrationen misst. Das Macro Fiber Composite™ eignet sich auch hervorragend zum Energy-Harvesting aus Schwingungen.

Typ Macro Fiber Composites™ P1

Die Elektroden sind in einem ineinandergreifenden Muster an der Folie befestigt, wodurch die angelegte Spannung der Macro Fiber Composite™-Struktur direkt auf die bandförmigen Stäbe übertragen wird. Diese Baugruppe ermöglicht die Polung in der Ebene, die Betätigung und die Messung in einer versiegelten, haltbaren und gebrauchsfertigen Ummantelung.

Typ Macro Fiber Composites™ P2

Zwischen der unverzahnten Fingerschicht und dem Verbundkern sind beidseitig zusätzliche elektrisch leitende Schichten aufgebracht. Die angelegte oder erzeugte Spannung erzeugt ein elektrisches Feld entlang der Dicke der piezokeramischen Stäbe. Die Interdigitalelektroden der einzelnen Ebenen sind miteinander verbunden. Sie fungieren als redundante Sammelelektroden.

Allgemeine Spezifikationen

Einen Überblick über einige der typischen Funktionen von Macro Fiber Composites™ finden Sie in der folgenden Tabelle.

Blocking force (max.)

28N to 1kN

depending on width of MFC

Operating voltage (max.)

P1, S1, F1: -500V – 1500V

P2, P3: -60V – 360V

P2 Single Crystal: 0V – 500V

Operating frequency (max.)

Actuator: 10kHz

Sensor, Harvester <1MHz

Lifetime (avg.)

Actuator: 10E+9 cycles

Sensor: 10E+11 cycles (< 400ppm)

Harvester:10E+10 cycles (< 600ppm)

Thickness (avg.)

300µm, 12mil

Capacitance (avg.)

P1, S1, F1: 2nF – 12nF

P2, P3: 25nF – 200nF

Macro Fiber Composites™ Engineering Eigenschaften

High-field (|E| > 1kV/mm),

biased-voltage-operation piezoelectric constants:

d33 P1, F1 type, in rod direction

4.6E+02 pC/N

4.6E+02 pm/V

d31 P2 type, in electrode direction

-2.1E+02 pC/N

-2.1E+02 pm/V

Low-field (|E| < 1kV/mm > 300V),

unbiased-operation piezoelectric constants:

d33 P1, F1 type, in rod direction

4.0E+02 pC/N

4.0E+02 pC/N

d33 P1, F1 type, in rod direction

-1.7E+02 pC/N

-1.7E+02 pC/N

Average free-strain per volt

(low-field – high-field) for d33 P1, F1 type

in rod direction

~ 0.75 – 0.9 ppm/V

~ 0.75 – 0.9 ppm/V

Average free-strain per volt

(low-field – high-field) for d31 P2 type 

in rod direction

~1.1 – 1.3 ppm/V

~1.1 – 1.3 ppm/V

Free-strain hysteresis in rod direction

~ 0.2

~ 0.2

DC poling voltage, Vpol for d33 P1, F1 type

+1500V

+1500V

DC poling voltage, Vpol for d31 P2 type

+360V

+360V

Poled capacitance @ 1kHz, room temp,

Cpol for d33 P1, F1 type

~ 0.30 nF/cm²

~ 1.94 nF/in²

Poled capacitance @ 1kHz, room temp,
Cpol for d31 P2 type

~ 7.8 nF/cm²

~ 50 nF/ in²

Orthotropic Linear Elastic Properties

(constant electric field):

Tensile modulus, E1 in rod direction

30.336 GPa

4.4E+06 psi

Tensile modulus, E1 in electrode direction

15.857 GPa

2.3E+06 psi

Poisson’s ratio, v12

0.31

0.31

Poisson’s ratio, v21

0.16

0.16

Shear modulus, G12 rules of mixture estimate

5.515 GPa

8.0E+05 psi

Operational Parameters:

Maximum operational positive voltage

Vmax for d33 P1, F1 type

+1500

+1500V

Maximum operational positive voltage 

Vmax for d31 P2 type

+360V

+360V

Maximum operational negative voltage

Vmin for d33 P1, F1 type

-500V

-500V

Maximum operational negative voltage 

Vmin for d31 P2 type

-60V

-60V

Linear-elastic tensile strain limit¹

1000 ppm

1000 ppm

Maximum operational tensile strain¹

< 4500 ppm

< 4500 ppm

Recommended tensile strain for Energy Harvesting

< 600 ppm

< 600 ppm

Peak work-energy density

~48800 Nm/m³

~7 in-lb/in³

Temperature and Lifetime Parameters:

Minimum operating temperature

all Versions

-35°C

-31°F

Maximum operating temperature

Standard Version

< 85°C

< 176°F

Maximum operating temperature

HT Version

< 130°C

< 266°F

Operational lifetime (@ 1kVp-p)

> 10E+09 cycles

> 10E+09 cycles

Operational lifetime (@ 2kVp-p, 500VDC)

> 10E+07 cycles

> 10E+07 cycles

Operational Bandwidth:

Operational bandwidth as actuator

high electric field

0Hz up to 10 kHz

0Hz up to 10 kHz

Operational bandwidth as actuator

low electric field levels

(< 33% of max operating voltage)

0Hz up to 700kHz

0Hz up to 700kHz

Operational bandwidth as sensor

0Hz up to 1 MHz

0Hz up to 1 MHz

Additional mechanical parameters:

Thickness of all MFC types

300µm, +-10%

12 mil +-10%

Volume Density, active area

5.44 g/cm³

5.44 g/cm³

Area Density, active area

0.16 g/cm²

0.16 g/cm²

Für weitere Einzelheiten laden Sie bitte die folgende Veröffentlichung „Nonlinear Tensile and Shear Behavior of Macro Fiber Composite Actuators“ herunter.

Downloads

Department of Mechanical Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, Virginia

MFC Work Modes:
Expansion, Bending, Torsion
Ressourcen

Ressourcen & FAQs

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FAQs

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Referenzen und Publikationen

Entdecken Sie unsere Referenzen und Veröffentlichungen, um einen tieferen Einblick in unsere Materialien und Projekte zu erhalten.

Anwendungen

Typische Anwendungen für Macro Fiber Composites™

Erfahren Sie mehr über typische Anwendungen von Macro Fiber Composites™.

Shape Morphing von Tragflächen und Strukturen

Macro Fiber Composite™-Aktuatoren ermöglichen Formänderungen von Tragflächen in Echtzeit und verbessern so die Aerodynamik, die Treibstoffeffizienz und die Steuerung in der Luft- und Raumfahrt.

P.A.S.S. –
Piezo Anti Ice Smart Skin

Eine leichte, energieeffiziente intelligente Oberfläche, die piezoelektrische Schwingungen nutzt, um Eisbildung auf Flugzeugtragflächen und Drohnenoberflächen zu verhindern.

Vibrationskontrolle

MFC-basierte Dämpfungssysteme reduzieren unerwünschte Vibrationen in Flugzeugen, Fahrzeugen und Industriemaschinen und erhöhen die Sicherheit und Haltbarkeit.