Ausscheidungshärtung in Piezokeramiken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Rödel
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462460745

Für den Einsatz von Piezokeramiken für Hochleistungsanwendungen ist es unabdingbar, die auftretenden dielektrischen und piezokeramischen Verluste zu minimieren, weil ansonsten die Keramik sich so stark aufheizt, dass sie sich depolarisiert. Dazu wird eine Akzeptordotierung, die zur Bildung von Sauerstoffleerstellen führt, eingesetzt. Diese bilden Dipole, die die Domänenstruktur stabilisieren und die Domänenwände pinnen. Dies führt zur Konsequenz, dass hohe Temperaturen und auch hohe Leistungen (die das Material erwärmen) zu einer Beweglichkeit der Sauerstoffleerstellen bereits ab 50°C führen und den Effekt zunichtemachen. Gewünscht ist also für Hochleistungsanwendungen wie Z.B. Ultraschallschweißen, Ultraschallmotoren und andere ein Mechanismus, der die Domänenwände pinnt. Da die Domänenwände Träger der nichtlinearen Verformung in ferroelektrischen Piezokeramiken sind, können Methoden der Metallphysik hilfreich sein. In der Tat ist in der Theorie (und unseren ersten Experimenten) nachgewiesen, dass Versetzungen Domänenwände pinnen. Ebenso haben wir vor kurzem veröffentlicht, dass eine zugemischte Zweitphase die Domänenstruktur stabilisiert. In diesem Vorhaben soll die Härtung der Domänenstruktur durch Ausscheidungen untersucht werden. Diese Option bietet eine große Flexibilität und extrem gute Verteilung der Zweitphase im Gitter (nicht nur an der Korngrenze, wie die zugemischte Zweitphase) und sollte weiterhin sehr stabil bei hohen Temperaturen und hohen Vibrationsraten sein. Im Projekt ist eine Verbindung basierend auf Bariumtitanat vorgeschlagen, in dem der Effekt des Härtens von Piezokeramiken grundlegend untersucht werden soll. Dazu gehört die Untersuchung der Herstellung mit Sintern und Alterung. Weiterhin ist eine komplexe Quantifizierung der Eigenschaften bei Temperatur und hohen Vibrationsraten nötig, insbesondere elektromechanische Güte und Koppelfaktor neben den üblichen Kenngrößen wie Piezokoeffizient und erreichte Dehnungen. Zusätzlich soll die elektrische Härtung mit der mechanischen Härtung durch Untersuchung des ferroelastischen Verhaltens untersucht werden. Explorative Untersuchungen durch Einbringen von Versetzungen bei hohen Temperaturen und dann möglicher Bildung von Ausscheidungen entlang der Versetzungsnetzwerke sind ebenfalls geplant. Dem grundlegenden Verständnis sollen weiterhin insbesondere in-situ TEM Untersuchungen als Funktion der Temperatur (erste Vorarbeit liegt bei) und des elektrischen Feldes wie in-situ Untersuchungen mittels Piezokraftmikroskopie dienen. Diese haben das Potential, die Bildung von Domänenwänden an Versetzungen als Funktion der Temperatur und das Pinnen durch Ausscheidungen als Funktion des elektrischen Feldes zu visualisieren. Die Untersuchungen sind an bleifreien Piezokeramiken vorgesehen, weil deren Durchbruch für harte Piezokeramiken erwartet wird. Das grundsätzliche Verständnis kann auch für bleihaltige Piezokeramiken, die dann für höhere Temperaturen einsetzbar wären, genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen