Erhöhung der Bruchzähigkeit in Bismuth-basierten bleifreien Piezokeramiken
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es konnte gezeigt werden, wie die ausführliche Studie des E-Moduls als Funktion der Temperatur genutzt werden kann, um Übergänge in ferroelektrischen Relaxoren zu untersuchen. Dies gilt insbesondere auch für den Nachweis in kanonischen Relaxoren, wie NBT-0,06BT, in denen die ferroelektrische Phase durch einen vorangegangenen Polungsprozess induziert wurde. Des Weiteren wurde die hohe Sensitivität des E- Moduls sowie der hohe messbare Temperaturbereich genutzt, um 𝑇𝐵 zu bestimmen. Zuletzt wurde ein neues Vorgehen präsentiert, um aus den ermittelten E-Moduln quantitative Rückschlüsse auf die Entwicklung des Volumenanteils der PNRs ziehen zu können. Dafür wurde ein Zwei-Phasen- Kompositmodell eingeführt. Mithilfe von uniaxialen Druckversuchen wurde gezeigt, dass NBT-xBT als ferroelastisch harte Piezokeramik bezeichnet werden kann. Selbst die kleinste gemessene Koerzitivspannung von -134 MPa liegt im oberen Bereich von vergleichbaren ferroelastisch harten PZT Keramiken. Des Weiteren konnte gezeigt werden, wie ähnlich die Last-Dehnungs-Kurven von NBT-xBT in der ferroelektrischen Phase und im nicht-ergodischen Zustand sind, obwohl das nicht-lineare Dehnungsverhalten von zwei unterschiedlichen physikalischen Vorgänge hervorgerufen wird. Anhand von gepolten NBT-0,06BT wurde deutlich, dass die Transformationsspannung höher ist als die Koerzitivspannung. Das Temperaturverhalten von NBT-0,03BT entspricht im ferroelektrischen Temperaturbereich dem von klassischen Ferroelektrika. Knapp oberhalb von 𝑇𝐹−𝑅 sinkt die remanente Dehnung direkt auf Null. Die Bruchzähigkeit von NBT-xBT wurde mittels der SCF Methode untersucht. Trotz der theoretisch kleinen Verstärkungsmechanismen, aufgrund der ferroelastischen Eigenschaften welche Akzeptordotiertem PZT ähneln, wurden Bruchzähigkeiten im ungepolten Zustand zwischen 1.46 MPam1/2 und 1.54 MPam1/2 beobachtet. Dabei übertrifft NBT-xBT die meisten anderen ferroelektrischen Keramiken. Die Erhöhung der Bruchzähigkeit durch das Polen der Proben zeigt, dass ferroelastische Verstärkungsmechanismen wirken. Temperaturabhängige Messungen haben gezeigt, dass die Bruchzähigkeit mit steigender Temperatur abnimmt, welches mit den elastischen und ferroelastischen Eigenschaften in Zusammenhang gebracht werden konnte. Außerdem wurde am Beispiel von NBT- 0.03BT gezeigt, dass bei Temperaturen oberhalb von 𝑇𝐹−𝑅 im ergodischen Relaxorzustand die Bruchzähigkeit durch vorrangegangenes Polen nicht mehr erhöht werden kann. Abschließend wurde ein Modell zur Vorhersage der Bruchzähigkeit auf Basis von messbaren Materialeigenschaften präsentiert, welches auch den Polungszustand sowie den Einfluss von erhöhter Temperatur berücksichtigt. Mittels Rissöffnungsprofilen von Vickersradialrissen in ungepolten Proben konnte die Rissspitzenbruchzähigkeit für NBT-xBT ermittelt werden. Hierfür wurde die Irwin Parabel in dem anfänglichen Bereich hinter der Rissspitze gefittet. Ein Vergleich mit einer ferroelektrisch weichen PZT Keramik (PIC 151) ergab, dass die intrinsische Bruchzähigkeit von NBT-xBT deutlich höher liegt. Dies macht NBT-xBT aus bruchmechanischer Sicht zu einem geeigneten Kandidaten für piezoelektrische Anwendungen. Die Messungen von R-Kurven bei Raumtemperatur zeigten keine bzw. einer nur sehr geringe Erhöhung des Risswiderstandes mit zunehmendem Risswachstum. Der geringe Effekt wird vor allem mit den hohen Koerzitiv- und Transformationsspannungen begründet. Die dadurch zu erwartende Prozesszone ist zu klein um einen nennenswerten Effekt auf den Risswiderstand zu haben. Durch Kleinwinkel-Röntgenbeugungs- Experimente an den Bruchflächen von NBT-0,06BT CT-Proben konnte keine remanente transformierte Prozesszone nachgewiesen werden. Es kann allerdings nicht abschließend geklärt werden, ob das Material während des Risswachstums oder danach an den Rissflanken zurück relaxiert ist oder ob die Umwandlung an der Rissspitze durch das umgebende Material unterdrückt wurde. Hierfür wären weitere in-situ Untersuchungen notwendig.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Absence of toughening behavior in 0.94(Na1/2Bi1/2)TiO3-0.06BaTiO3 relaxor ceramic, Scripta Materialia 136 (2017), 115-119
M. Vögler, J.E. Daniels, K.G. Webber, and J. Rödel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.04.023) - Short crack fracture toughness in (1-x)(Na1/2Bi1/2)TiO3-xBaTiO3 relaxor ferroelectrics, Journal of the American Ceramic Society 100 (2017), 4760-4769
S.M Denkhaus, M. Vögler, N. Novak, and J. Rödel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/jace.15008) - Temperature-dependent volume fraction of polar nanoregions in lead-free (1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xBaTiO3 ceramics, Physical Review B 95 (2017), 024104
M. Vögler, N. Novak, F.H. Schader, and J. Rödel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.024104) - Electric field - temperature phase diagram of sodium bismuth titanate based relaxor ferroelectrics, Journal of Materials Science, 53 (2018), 9393-9400
F. Weyland, N. Novak, M. Acosta, M. Vögler, Y. Ehara, and J. Rödel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10853-018-2232-5)
