Zeitabhängiges Matrialgesetz zur mesoskopischen Materialbeschreibung von ferroelektrischen Keramiken: Grundlagen und Anwendung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Adaptive Systeme (beispielsweise Aktuatoren) auf der Basis von piezoelektrischen Keramiken erfordern die Analyse der im Inneren auftretenden elektrischen und mechanischen Felder, damit das Verhalten unter Einsatzbedingungen verstanden bzw. vorhergesagt werden kann. Die hierfür notwendigen gekoppelten elektromechanischen Materialgesetze sind bisher aufgrund der Komplexität des Materialverhaltens erst teilweise entwickelt. Wenn von einer mikroskopischen Betrachtung ausgegangen wird, so sind einerseits die resultierenden Gleichungen für die Modellierung von Bauteilen oft zu detailliert. Andererseits sind phänomenologische Gesetze aufgrund einer Vielzahl von empirischen Materialkonstanten schwer zu handhaben, oder sie erfassen wichtige Aspekte wie das Zeit- und Temperaturverhalten nicht. Im Rahmen der Projektbearbeitung ist es gelungen, ein halbphänomenologisches viskoses Materialgesetz, welches eine bestimmte Anzahl von physikalisch motivierten inneren Variablen zur Beschreibung des Materialzustandes nutzt, zu entwickeln. Ein Schwerpunkt liegt dabei in der Berücksichtigung der thermisch aktivierten Prozesse, wodurch das zeit- und temperaturabhängige Materialverhalten beschrieben werden kann. Durch Kombination der Modellrechnungen mit experimentellen Ergebnissen konnte ein verbessertes Verständnis der ablaufenden Mechanismen erreicht werden, und es gelingt eine Anpassung der mikroskopischen Materialparameter. Vom Antragsteller selbst ist wegen Wechsel des Arbeitsgebietes keine unmittelbare Fortführung der Arbeiten geplant, jedoch bietet der erreichte Erkenntnisstand die Möglichkeit einer sinnvollen Weiterentwicklung. Diese werden insbesondere in den folgenden zwei Bereichen gesehen. 1. Das Modell ist bereits in der jetzigen Form geeignet, gekoppelte mechanisch-elektrische Belastungen zu analysieren. Die Anpassung der mikroskopischen Parameter erfolgte dabei bisher aber nur anhand von elektrischen Belastungen. Es wird erwartet, dass eine gezielte Anpassung auch an mechanische Kriechexperimente eine verbesserte Interpretation und kritische Bewertung der mikroskopischen Vorgänge erlauben wird. 2. Die im Rahmen der Projektarbeit bereits getestete Kombination mit einem Finite- Elemente-Programmsystem hat gezeigt, dass das entwickelte Modell eine effektive Analyse der Felder in einem adaptronischen Bauelement ermöglicht. Deshalb erscheint auch die Anwendung des Modells bei der Optimierung der Leistung von adaptronischen Systemen erfolgversprechend.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Simulation of microstructure evolution in polycrystalline ferroelectrics-ferroelastics.
International Conference on Micromechanics and Microstructure Evolution: Modeling,
Simulation and Experiments, Madrid, Spain, 12.09.-16.09.2005.
Belov A.Yu.; Kreher W.S.
- Thermal-Activation-Based nonlinear constitutive relations for ferroelectric ceramics.
15th International Workshop on Computational Mechanics of Materials, Düsseldorf, Germany,
19.09.-20.09.2005.
Belov A.Yu.; Kreher W.S.
- Effective domain wall obstacle interactions for micro-mechanical modelling of ferroelectric
ceramics.
in: Proceedings of the 3rd International Conference on Multiscale Materials Modeling
(ed. P. Gumbsch), Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, p. 400-403 (2006).
Belov A.Yu.; Kreher W.S.
- Effective domain wall-obstacle interactions for micro-mechanical modelling of ferroelectric
ceramic materials.
3rd International Conference on Multiscale Materials Modeling (MMM 3),
Freiburg, Germany, 18-22.09.2006.
Belov A.Yu.; Kreher W.S.
- Micromechanics of ferroelectrics: from domain walls to piezoceramic devices.
8th European Conference on Applications of Polar Dielectrics, Metz, France, 4-8.09.2006.
Abstract Book, Abstract O 34, p. 91.
Belov A.Yu.; Kreher W.S.
- Nonlinear constitutive modeling of ferroelectric ceramics: the role of thermally activated
processes.
Frühjahrstagung des Arbeitskreises Festkörperphysik der DPG & 21st General Conference of
the EPS Condensed Matter Division, Dresden, Germany, 27.-31. März 2006.
Europhysics Conference Abstracts Volume 30 A, Abstract DF 8.6, S. 135 (2006).
Belov A.Yu.; Kreher W.S.
- Simulation of microstructure evolution in polycrystalline ferroelectrics-ferroelastics.
Acta Materialia 54 (2006) 13, 3463-3469.
Belov A.Yu.; Kreher W.S.
- Micromechanics of ferroelectrics: from domain walls to piezoceramic devices.
Ferroelectrics, 351 (2007) 1, 79-87.
Belov A.Yu.; Kreher W.S.
- Modeling linear properties and nonlinear response of ferroelectric/ferroelastic polycrystalline
materials
Vortrag First seminar on the mechanics of multifunctional materials,
Bad Honnef, May 7 – 11, 2007.
Kreher, W. S.; Belov, A. Y.
- Modeling linear properties and nonlinear response of ferroelectric/ferroelastic polycrystalline
materials,
in: Proceedings of the first seminar on the mechanics of multifunctional materials
(eds.: J. Schröder, D. Lupascu, D. Balzani),
Schriftenreihe des Instituts für Mechanik, pp. 73-76, Universität Duisburg-Essen, 2007.
Kreher, W. S.; Belov, A. Y.
- Creep in Soft PZT: The Effect of Internal Fields
9th European Conference on Applications of Polar Dielectrics,
Roma (Italy) August 26 – 29, 2008.
Belov A.Yu.; Kreher W.S.
- Effective Medium Theories
in: Piezoelectricity – Evolution and Future of a Technology
(eds. W. Heywang, K. Lubitz, W. Wersing) Springer Verlag, 2008, p. 517-533.
Kreher, W.
- The evaluation of activation parameters for ferroelectric switching in soft PZT ceramics
9th European Conference on Applications of Polar Dielectrics,
Roma (Italy) August 26 – 29, 2008
Belov A.Yu.; Kreher W.S., Nicolai, M.
