Rissausbreitung in Grenzflächen zwischen Piezokeramiken und Metallelektroden bei elektromechanischer Belastung: Experimente und Modellierung
Final Report Abstract
In einer Kooperation der Technischen Universität Hamburg-Harburg und der Technischen Universität Dresden wurden Risse in Grenzflächen zwischen Metall und Piezokeramiken sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht. Neben seiner grundlegenden wissenschaftlichen Bedeutung hat dieses Projekt auch große industrielle Relevanz. In millionenfach produzierten Stapelaktoren bestimmen die Entstehung und das Wachstum von Rissen an den inneren Grenzflächen zwischen Elektrode und Piezokeramik entscheidend die Lebensdauer der Aktoren. Deshalb muss das Bruchkriterium der Metall-Keramik-Grenzflächen unter elektrischer und mechanischer Last bestimmt und die identifizierten kritischen Beanspruchungsparameter gemessen werden. An der TU Hamburg-Harburg wurde eine vorhandene 4-Punkt-Biegeapparatur weiterentwickelt, um in solchen Metall-Keramik-Grenzflächen Risse statisch und, falls erforderlich, auch automatisiert treiben zu können. Weitgehend beliebige Kombinationen von mechanischer und elektrischer Last sind einstellbar. Die Methode der Automatisierung wurde als Patent eingereicht und fand große Beachtung in der Industrie. Zwei an der Entwicklung beteiligte Studenten wurden mit einem Preis ausgezeichnet. Da die Stapel-Aktoren in der Anwendung elektrisch betrieben werden, waren neben der mechanischen Last insbesondere der Einfluss elektrischer Felder, aber auch der Einfluss des Polungszustands des Aktors und anderer Parameter, auf das Risswachstum Gegenstand der Untersuchung. Dabei wurde nachgewiesen, dass die Risse weitgehend durchlässig für elektrische Felder sind und deshalb die elektrischen Felder sich kaum auf den Rissfortschritt auswirken. Das wesentliche Ergebnis besteht in der Erkenntnis, dass der Polungszustand den Widerstand gegen den Rissfortschritt deutlich beeinflusst. Die Beschreibung der Beanspruchung aufgrund der mechanischen und der elektrischen Last unter Beachtung der piezoelektrischen Kopplung ist relativ aufwändig. An der TU Dresden wurde die theoretische Lösung für die physikalischen Felder in der Umgebung der Rissspitze der Metall-Keramik-Grenzflächenrisse hergeleitet. Auf Basis dieser theoretischen Lösung lassen sich die die Rissinitiierung beschreibenden Beanspruchungsparameter definieren. Mit Hilfe von 2D- und 3D-Finite-Elemente-Simulationen wurden die kritischen Beanspruchungsparameter für die in der 4-Punkt-Biegeapparatur getesteten Aktorproben berechnet. Damit liegen grundlegende experimentelle und theoretische Methoden vor, die es ermöglichen, das statische Risswachstum in Metall-Keramik-Grenzflächen generieren und analysieren zu können. Das angestrebte Ziel, nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Aussagen über die Festigkeit der Grenzflächen zwischen piezoelektrischen Keramiken und Metallelektroden bei elektromechanischer Belastung zu treffen, wurde erreicht.
