Alterung und Ermüdung von Ferroelektreten: experimentelle und theoretische Untersuchungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Heinz von Seggern; Professorin Dr.-Ing. Bai-Xiang Xu
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299327252

Der Gegenstand dieses Projektantrags ist eine kombinierte experimentelle und theoretische Studie der Stabilität der elektromechanischen Eigenschaften von porösen Ferroelektreten. Insbesondere sollen drei unterschiedliche Stabilitätsmechanismen untersucht werden, die bei der Alterung und der Ermüdung eine wesentliche Rolle spielen. Als erster Stablitätsmechnismus sei der viskoelastische Effekt genannt, der sowohl in den porösen Schichten als auch in den nicht porösen Blockierschichten einen starken Einfluss hat. Er führt zu einem zeit- und temperaturabhängigen Verhalten des d33-Piezokoeffizienten und verändert das elektromechanische Verhalten eines Ferroelektreten maßgeblich. Anfänglich wird das viskoelastische Verhalten von ungeladenen Ferroelektreten mit unterschiedlicher Mikrostruktur bei unterschiedlichen Temperaturen vermessen und numerisch modelliert. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen dann auf geladene Ferroelektrete übertragen werden. Als zweiter Stabilitätsmechnismus soll die Ladungsstabilität an den Grenzflächen aufgrund von ladungstransportbedingten Vorgängen wie Drift und Diffusion durch das dielektrische Medium des porösen Polymers betrachtet werden. Da die Ladungsträgerdichte in engem Zusammenhang mit dem piezoelektrischen d33-Koeffizienten steht, wirkt sich ein Verlust an Ladung als eine Instabilität aus. Diese Entladevorgänge sind im Allgemeinen thermisch aktiviert und sollen deshalb durch gezielte temperaturabhängige Messungen untersucht werden, um sie anschließend in die theoretische Modellierung zu integrieren. Als dritter Stabilitätsmechanismus soll eine mechanisch induzierte Entladung durch elektrischen Durchbruch untersucht werden. Diese Entladungsart tritt auf, wenn die zu untersuchende Struktur auf die maximal mögliche Grenzflächenladung aufgeladen wird. Das ist der Fall, wenn die inneren elektrischen Felder nur knapp unter der Durchbruchsfeldstärke liegen und eine mechanische Verformung des Ferroelektreten lokal zu einem erneuten Überschreiten der Durchbruchsfeldstärke führt. Die drei Einzeleffekte sowie ihre gegenseitige Beeinflussung sollen in diesem Projekt experimentell vermessen und theoretisch beschrieben werden, um letztendlich eine erfolgreiche Strategie zur Herstellung von langzeitstabilen und mechanisch-stabilen Ferroelektreten zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen