Mesoskopische und makroskopische Ermüdung in dotierten ferroelektrischen Keramiken

Prof. Dr. J. Rödel (FG Nichtmetallische-Anorganische Werkstoffe)
____________________

Im Betrieb sind piezoelektrische Aktoren Bedingungen ausgesetzt, die sich von den üblichen Laborbedingungen unterscheiden. Sie werden üblicherweise bei hohen Temperaturen und unter einer mechanischen Vorlast betrieben, wobei das elektrische Feld nur in einer Richtung angelegt wird (unipolare Belastung). Die dabei auftretenden Schädigungsmechanismen können sich von denen unterscheiden, die beim bipolaren elektrischen Zyklieren einer lastfreien Probe bei Raumtemperatur beobachtet wurden. Daher soll in Teilprojekt D1 das Ermüdungsverhalten piezoelektrischer Aktorwerkstoffe unter anwendungsnahen Bedingungen untersucht werden.

Die möglichen Schädigungsmechanismen, die Anteil an der Ermüdung haben können, lassen sich grob in drei Bereiche einteilen. In der Diskussion ist einmal die Umlagerung von im Volumen der Probe vorhandenen Ladungsträgern an die Korngrenzen des keramischen Werkstoffs, an die Elektro den oder in tiefe Störstellen im Material. Einerseits kann so ein internes Feld aufgebaut werden, das mit dem extern anliegenden Feld und der ferroelektrischen Domänenstruktur wechselwirkt. Andererseits können die fixierten Ladungsträger das Schalten der ferroelektrischen Domänen behindern, indem sie die Beweglichkeit der Domänenwände herabsetzen. Der zweite mögliche Schädigungsmechanismus ist die Ladungsinjektion über die Grenzfläche zwischen Aktormaterial und Elektrode. Dadurch kann einerseits wieder ein die ganze Probe beeinflussendes elektrisches Feld entstehen, andererseits können die Ladungen lokal auf das Domänenschalten wirken, indem sie die Nukleation neuer Domänen erleichtern oder behindern.

Der dritte Schädigungsmechanismus ist mechanischer Natur und beruht auf der Bildung von Mikrorissen. Um den Anteil der einzelnen Effekte an der Ermüdung zu quantifizieren, werden keramische PZT-Proben unter verschiedenen Bedingungen elektrisch zykliert. Die wichtigsten Parameter, die bei der Ermüdung variiert werden können, sind die Temperatur und die parallel zur elektrischen Feldrichtung wirkende mechanische Last, da diese Größen direkten Einfluss auf das Ladungstransportverhalten und das Schalten der elektrischen Domänen nehmen.

Durch die Verwendung unterschiedlicher Elektrodentypen wie metallischer oder oxidischer Elektroden sowie durch das Einbringen einer isolierenden paraelektrischen Schicht zwischen Elektrode und Werkstoff wird der Einfluss von Grenzflächeneffekten auf die Ermüdung untersucht. Der elektrische Lastzyklus wird durch die Änderung der Frequenz sowie den Übergang von der elektrisch unipolaren zur ‚sesquipolaren’ Last variiert, bei der hohe positive und kleine negative Felder an die Probe angelegt werden.

Die Charakterisierung des Ermüdungszustands vor, während und nach der Ermüdung erfolgt vorwiegend durch Messung makroskopischer Parameter wie der Hysterese der elektrischen Polarisation, der mechanischen Dehnung, des piezoelektrischen Koeffizienten d33 und der Dielektrizitätszahl ε33. In Verbindung mit den überwiegend im Projekt B7 (v. Seggern / Klein) durchgeführten Untersuchungen der zeitlichen Entwicklung der Polarisation unter konstantem elektrischem Feld wird Aufschluss über die Domänendynamik gewonnen. Unterstützend zu diesen Messungen werden in enger Kooperation mit anderen Teilprojekten des Sonderforschungsbereichs mikroskopische Probeneigenschaften wie Defektstruktur und lokales Schaltverhalten untersucht.

Darüber hinaus wird Projekt D1 das Projekt A1 (Rödel) bei der Messung der ferroelektrischen Eigenschaften neu entwickelter bleifreier keramischer Aktorwerkstoffe unterstützen und die ermüdeten Proben zur Verfügung stellen, die in den Projekten B3 (Kleebe / Donner) und B7 (v. Seggern / Klein) untersucht werden sollen. Das dabei verwendete Ermüdungsprogramm richtet sich nach den Anforderungen des jeweiligen Projektes.