Neue bleifreie piezoelektrische Verbundwerkstoffe für Hochleistungswandler

• Antragsteller: Professor Jurij Koruza, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414073759

Piezoelektrische Keramiken ermöglichen die Umwandlung zwischen elektrischer und mechanischer Energie und werden daher in zahlreichen Elektronikgeräten angewendet. Vor allem zeichnen sich diese Materialien durch eine hohe Energiedichte und einen geringen Energieverbrauch für elektromechanische Hochleistungswandler aus und sind somit aus Ultraschallanwendungen und Spannungswandlern nicht mehr wegzudenken. Deren großes Miniaturisierungspotenzial erlaubt zudem die Entwicklung von neuen mobilen Elektronikgeräten und medizinischen Implantaten. Hochleistungswandler erfordern piezoelektrisch harte Materialien, wobei die Härtung herkömmlich durch die Blockierung der ferroelektrischen Domänenwandbewegung mittels Defektkomplexe erreicht wird. Dieser Härtungsmechanismus weist allerdings bei Hochleistungswandlern mehrere entscheidende Nachteile auf, da die Ausgangsleistung bei hohen Vibrationsgeschwindigkeiten und erhöhten Temperaturen durch die Degradation von elektromechanischen Eigenschaften stark limitiert wird. Zudem beinhalten diese Keramiken große Mengen an toxischem Blei.Das Hauptziel dieses Projekts ist daher die Entwicklung eines alternativen vielversprechenden Härtungskonzepts, das zu einer neuen Gruppe von Piezokeramiken mit besseren und stabileren Eigenschaften für Hochleistungsanwendungen führen wird. Hierzu werden durch gezielte Gestaltung des Gefüges bleifreie Verbundwerkstoffe mit (3-0) Vernetzung aus Relaxor-basierter Matrix und verschiedenen, harten, nicht perovskitischen Zweitphasen hergestellt. In diesen Materialien wird die Domänenwandbewegung dabei durch mechanische Spannungen und zusätzlich mit Ladungsträgern, welche durch die Zweitphase erzeugt werden, blockiert. Um die beiden Einflüsse zu unterscheiden werden halbleitende und isolierende Zweitphasen eingesetzt. Die Domänenwandblockierungsstärke wird durch klein- und großsignal Messungen der elektromechanischen Parameter charakterisiert und mit kommerziellen Pb(Zr,Ti)O3 Materialien verglichen. Um die Mechanismen zu verstehen werden zusätzlich das Gefüge, die Eigenspannungen und die Kristallstruktur mittels Röntgen- und Neutronenbeugung, sowie Kernspinresonanzspektroskopie untersucht. Methoden zur Bestimmung der Beiträge der Domänenwanddynamik und Gitterdehnung zur makroskopischen Antwort mittels in situ zeitauflösender Synchrotronstrahlung werden entwickelt um das Verständnis des nichtlinearen Verhaltens der Piezoelektrika bei Resonanzbedingungen zu erweitern.Zusammenfassend wird das Projekt eine neue Gruppe von nachhaltigen, harten Piezoelektrika entwickeln, die grundlegende physikalische Mechanismen erklären, und Richtlinien für die Gestaltung der funktionellen Eigenschaften von diesen neuen Verbundwerkstoffen erstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien, Japan, Österreich, USA
• Kooperationspartner: Professor Long-Qing Chen; Professor John E. Daniels; Professor Kentaro Nakamura