Herstellung und Charakterisierung von PZT-Keramiken mit definierter Defektchemie

Prof. Dr. M.J. Hoffmann (Institut für Keramik im Maschinenbau / TH Karlsruhe)
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Gegenstand der Forschungsarbeiten im Teilprojekt A2 in der ersten Antragsperiode war die Erforschung der Auswirkungen von Mischkristallzusammensetzung und Dotierungen auf die elektromechanischen Eigenschaften von PZT-Keramiken.

In Zusammenarbeit mit den Projekten B1 (Eichel / Dinse), B2 (Balogh) und B3 (Kleebe / Fueß) wurde gezeigt, welche Korrelationen zwischen der Defektstruktur, der Phasenzusammensetzung, der Mikrostruktur und den Eigenschaften bestehen.
Es wurde dargelegt, dass die elektromechanischen Eigenschaften wesentlich von den strukturellen Eigenschaften beeinflusst werden.

Für eine quantitative Abschätzung der dabei wirksamen Dehnungsmechanismen – dem piezoelektrischen Effekt und den Reorientierungen von Domänen – wurde ein Berechnungsverfahren auf der Grundlage von Messungen der makroskopischen Dehnung und in situ Röntgenmessungen entwickelt (mit B3, Kleebe / Fueß).

Die Möglichkeiten der Beeinflussung der Dehnungseigenschaften über Herstellungsparameter wurden anhand von Studien über die Auswirkungen von Gefüge und Sintertemperatur dargestellt. Die Auswirkungen einer Codotierung auf Gefüge und elektromechanische Eigenschaften wurden in umfangreichen Messreihen analysiert. Hinsichtlich der Effekte einer Codotierung auf die Gefügeentwicklung konnte eine Korrelation zum Bleileerstellengehalt nachgewiesen werden.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen soll in der nächsten Antragsperiode die Degradation der elektromechanischen Eigenschaften unter dem Einfluss einer Ansteuerung mit hoher Gleichspannung in Verbindung mit Luftfeuchtigkeit untersucht werden.
Aus den Ergebnissen sollen Schlussfolgerungen gezogen werden, wie durch Wahl von geeigneten Materialien (hinsichtlich Defekt- und Mikrostruktur) und Bedingungen für Polung und Ansteuerung Schädigungen minimiert bzw. vermieden werden können.

Zunächst muss dabei jedoch geklärt werden, in welcher Form bei der elektrischen Ansteuerung von PZT-Keramiken mit Gleichspannung eine Schädigung auftritt.
Die Art des Mechanismus – Schädigung durch Mikrorissbildung, E-Feld bedingte Veränderungen der Defekt- und Mikrostruktur oder Schädigung der Elektrodengrenzfläche – soll identifiziert werden.

Nach den Erfahrungen in Teilprojekt D1 (Rödel / Granzow) treten bei bipolarer Zyklierung Kombinationen verschiedener Schädigungsmechanismen auf.
Methodisch werden daher zwei Richtungen verfolgt, um zwischen den Schädigungsmechanismen zu unterscheiden.

Zum einen sollen gleichspannungsbelastete Proben durch mechanische und bruchmechanische Experimente charakterisiert werden. Mit diesen Versuchen soll – weitgehend unbeeinflusst von den anderen Schädigungsmechanismen – eine gleichspannungsinduzierte Mikrorissbildung und -ausbreitung nachgewiesen werden. Zum anderen wird die Veränderung der elektromechanischen Eigenschaften durch die Gleichspannungsbelastung charakterisiert. Aus diesen Messungen ist die Art des Schädigungsmechanismus nicht ohne weiteres erkennbar. Daher soll versucht werden durch systematische Variation von Versuchsparametern Bedingungen zu finden, bei denen jeweils einer der Schädigungsmechanismen dominiert.

Diese Untersuchungen erfolgen in Zusammenarbeit mit den Projekten B1 (Eichel / Dinse), B2 (Balogh), B3 (Kleebe / Fueß), D1 (Rödel / Granzow) und B7 (v. Seggern / Klein). Für beide Ansätze soll zunächst eine tragfähige Methodik entwickelt werden. Nach der Etablierung von geeigneten Untersuchungsmethoden sollen durch eine gezielte Änderung der Materialparameter Zusammensetzungen mit schädigungsunempfindlichen Defekt- und Mikrostrukturen identifiziert werden.