Entwicklung keramischer Materialien mit definiertem Gradienten der elektromechanischen Eigenschaften
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein kontinuierlicher Gradient der elektromechanischen Eigenschaften kann helfen, die Leistungsfähigkeit von Biegeaktuatoren oder Ultraschallwandlern zu verbessern. So werden durch die stetige Änderung der piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften innere mechanische Spannungen reduziert, die üblicherweise an Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien auftreten. In interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen Arbeitsgruppen des Instituts für Chemie und des Instituts für Physik der Martin-Luther-Universität Halle wurden monolithische keramische Materialien mit gezielt eingestelltem uniaxialen Gradienten insbesondere der elektromechanischen Eigenschaften entwickelt und untersucht. Als Materialbasis wurde das bleifreie Mischsystem Ba(Ti,Sn)O3 verwendet, wodurch Umweltverträglichkeit gewährleistet ist. Mittels Pulverpress- und Foliengießverfahren wurden zunächst Schichtstrukturen aus den Ausgangsmaterialien aufgebaut, die nach dem anschließenden Sinterprozeß einen chemischen Gradienten aufwiesen. Dieser wurde in einem Polungsprozeß in einen piezoelektrischen Gradienten umgewandelt. Eine Schlüsselaufgabe des Projektes war es, die in unterschiedlichen Materialkombinationen in einer inhomogenen monolithischen Keramik ablaufenden Polungsmechanismen aufzuklären und zu modellieren. Das bildete die Voraussetzung, um das finale Eigenschaftsprofil gezielt einstellen zu können und die Biegeeigenschaften eines solchen Aktuators aus piezoelektrischem Gradientenmaterial zu optimieren. Die untersuchten Material Systeme lassen sich hinsichtlich ihrer Polungs- und Biegeeigenschaften in drei Gruppen einteilen. Erstens sind dies Keramiken des Systems BaTiO3-BaSnO3 mit einem chemischen Gradient der Ti/Sn-Stöchiometrie, der vom ferroelektrischen zum paraelektrischen Bereich des Systems reicht. Die elektromechanischen Eigenschaften ändern sich dabei in Abhängigkeit vom Zinn-Gehalt von piezoelektrisch zu elektrostriktiv. Hier ließen sich besonders gute Biegeeigenschaften erzielen, weil es gelang, die Zunahme der piezoelektrischen Koeffizienten mit einer Abnahme der dielektrischen Koeffizienten zu verbinden. Als zweites wurden Schichtstrukturen aus piezoelektrischen und leitfähigen Keramiken untersucht und insbesondere der Einfluß des Schichtdickenverhältnisses studiert. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Polungsrichtung als auch eine mechanische Vorspannung beim Sintern die Eigenschaften des Biegeaktuators verbessern können. Für die dritte Gruppe, eine Kombination aus ferroelektrisch harter und ferroelektrisch weicher Keramik, konnte der Polungsprozess theoretisch beschrieben werden. Erstmals gelang es in einem Modellsystem mit Mn-dotiertem BaTiO3 zu zeigen, dass es prinzipiell möglich ist, einen Polarisations- und damit piezoelektrischen Gradienten mit einem Vorzeichenwechsel zu erzeugen. Dadurch kann die Biegeauslenkung eines monolithischen Biegeelements verbessert werden, da sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes die eine Schicht zusammenzieht, die andere Schicht hingegen ausdehnt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- AC-poling of Functionally Graded Piezoelectric Bending Devices, Integrated Ferroelectrics, 63, (2004), 15-20.
R. Steinhausen, A. Kouvatov, C. Pientschke, H. T. Langhammer, W. Seifert, H. Beige, H.-P. Abicht:
- Poling and Bending Behavior of Piezoelectric Multilayers Based on Ba(Ti,Sn)O3 Ceramics, Journal of the European Ceramic Society, 24 (6), 2004, pp. 1677-1680.
R. Steinhausen, A. Kouvatov, H. Beige, H. T. Langhammer, H.-P. Abicht:
- Bending Actuators Based on Monolithic Barium Titanate-Stannate Ceramics as Functional Gradient Materials, Materials Science Forum, vol. 494, 167-174 (2005).
R. Steinhausen, H. Th. Langhammer, A. Z. Kouvatov, C. Pientschke, H. Beige, H.-P. Abicht:
- Equivalent Circuit Modelling of the Time-Dependent Poling Behaviour of Ferroelectric Multilayer Structures, Ferroelectrics, 319 (2005), 181-190.
C. Pientschke, R. Steinhausen, A. Kouvatov, H. T. Langhammer, H. Beige:
- Polarisation Kinetic of Electrically Connected Electroconductive Ferroelectric Multilayer Structures, J. Europ. Ceram. Soc. 25 (2005), 2547-2551.
C. Pientschke, A. Kouvatov, R. Steinhausen, W. Seifert, H. Beige:
