Entwicklung von steuerbaren niederpermittiven Kompositmaterialien für die Mikrowellentechnik
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsvorhaben hatte zum Ziel, die Leistung steuerbarer dielektrischer Materialien zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden neuartige dielektrisch/paraelektrische Kompositmaterialien mittels Simulation und experimenteller Untersuchungen entwickelt. Der besondere Schwerpunkt dieses Forschungsprojekts lag auf dem Einfluss des Gefüges der Kompositwerkstoffe auf die dielektrischen Eigenschaften. Für den experimentellen Teil wurden Ba0,6Sr0,4TiO3 (BST) als dielektrischer und Mg3B2O6 (MBO) als paraelektrischer Werkstoff eingesetzt. Dies geschah aufgrund ihrer günstigen dielektrischen Eigenschaften, wie z.B. die hohe Steuerbarkeit des BST und der geringe dielektrische Verlust des MBO. Dieses System wurde zunächst hinsichtlich der Wechselwirkungen während des Sinterns untersucht. Es wurde festgestellt, dass Titan-Ionen in Grenzflächenbereichen vom BST in das MBO migrieren. Dies ist insofern von Bedeutung, da das Titan in keiner Weise substituiert zu sein scheint, obwohl es maßgeblich für die Steuerbarkeit des BST verantwortlich ist. Daher erfordert die Realisierung von strukturierten Gefüge eine Robustheit hinsichtlich der BST-Phase, da zu filigrane Netzwerke vollständig passivierend wirken könnten und die Kompositmaterialien keine Steuerbarkeit mehr aufweisen. Gleichzeitig kann dieser Effekt ausgenutzt werden, da die angestrebte Erhöhung der Steuerbarkeit auf der Realisierung eines feinen BST-Netzwerkes beruht. Die Herstellung der strukturierten Kompositmaterialien erfolgte in einem zweistufigen Granulationsverfahren. Dies erwies sich als vorteilhaft, da auf diese Weise die Dicke der BST-Schicht variiert werden konnte und somit ein ausreichend dickes aktives Netzwerk gewährleistet war. Die strukturierten Proben wurden hinsichtlich ihres Gefüges und ihrer dielektrischen Eigenschaften charakterisiert. Die Ausbildung eines BST-Netzwerks führte zu einer signifikanten Erhöhung der Steuerbarkeit im Vergleich zu konventionellen Kompositen, während der dielektrische Verlust nur geringfügig anstieg. Dies führte insgesamt zu einer Erhöhung des Verhältnisses der beiden Werte und somit zu einer Steigerung der Gesamtperformance durch strukturierte Kompositmaterialien. Bei den ternären Verbundwerkstoffen wurden verschiedene leitfähige Phasen untersucht. Die metallischen und keramischen leitfähigen Materialien wiesen während des Sinterns eine starke Degradation oder Migration bzw. die Bildung von Sekundärphasen auf. Die Simulationsanalyse erklärt teilweise die experimentellen Erkenntnisse, die durch die Zugabe einer zweiten und dritten Phase in Form von MBO und Metall zum BST entstehen, sofern es sich um die relativen Permittivitäten im ungesteuerten Zustand handelt. Die Steuerbarkeit und die dielektrischen Verluste müssen jedoch noch in der Simulationsumgebung untersucht werden. Auch akustische Resonanzphänomene müssen in der Simulationsumgebung ermittelt werden, um Erkenntnisse über die Entstehung solcher Resonanzen zu gewinnen. Je nach Finanzierung wird sich der Schwerpunkt in Zukunft auf den Ausbau der Simulationsumgebung verlagern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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NDK and HDK composite networks for optimization of dielectric behavior. 44th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites, Daytona Beach, 2020
K. Haeuser, P. Agrawal, R. Jakoby, H. Maune, J.R. Binder
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NDK and HDK composite networks for optimization of dielectric behavior. Electroceramics XVII, Darmstadt, 2020
K. Haeuser, P. Agrawal, R. Jakoby, H. Maune, J.R. Binder
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Sintering behavior and electrical properties of the paraelectric/dielectric composite system BST/MBO. Journal of the European Ceramic Society 2021, 41, 7022-7028
K. Haeuser, R. Azmi, P. Agrawal, R. Jakoby, H. Maune, M. J. Hoffmann, J. R. Binder
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Suppression of Acoustic Resonances in BST-Based Bulk- Ceramic Varactors by Addition of Magnesium Borate. Crystals 2021, 11, 786
Agrawal, P.; Kienemund, D.; Walk, D.; Matic, S.; Bohn, N.; Häuser, K.; Fink, T.; Abrecht, M.; Bigler, W.; Binder, J.R.; Jakoby, R.; Maune, H.
