FWF - DC-PiezoHard - Härtung von piezoelektrischen Materialien mit DC Spannung

Piezoelektrische Materialien ermöglichen die Umwandlung zwischen mechanischen und elektrischen Signalen und werden in einer Vielzahl von Anwendungen wie Sensoren, Wandlern, Aktoren oder in der Energierückgewinnung eingesetzt. Zu den besten Piezoelektrika zählen die ferroelektrische Perowskite, wobei die elektromechanische Kopplung auf einer kombinierten Wirkung intrinsischer (Gitterverzerrung) und extrinsischer (irreversible Domänenwandbewegung) Beiträge beruht. Bei der Anwendung in der Resonanz, wie z.B. bei Ultraschallerzeugung, Motoren, medizinischen Anwendungen und Spannungsumwandlung, kommt es jedoch zu einer Selbsterhitzung dieser Materialien aufgrund mechanischer Verluste. Dies führt zu einer erheblichen Degradation der elektromechanischen Eigenschaften und zur thermischen Depolarisation. Um dieses Problem anzugehen, wurden verschiedene Ansätze für piezoelektrische Härtung wie Akzeptordotierung, Herstellung von Verbundwerkstoffen und Ausscheidungshärtung entwickelt, um die Bewegung der Domänenwände (Hauptursache für Energieverluste) zu unterdrücken. Die Anwendbarkeit dieser Ansätze ist jedoch durch die schlechte Stabilität der elektromechanischen Eigenschaften oft begrenzt, was zu einem engen Anwendungsbereich führt. In diesem Projekt wird ein neuer innovativer Ansatz für piezoelektrische Härtung entwickelt. Ferroelektrische Materialien weisen eine nichtlineare Beziehung zwischen der angelegten elektrischen/mechanischen Last und der generierten Dehnung/Polarisation auf. Daraus leitet sich unsere Hypothese ab, dass die Eigenschaften durch die Überlagerung der antreibenden Wechselspannung mit einer DC Spannung gezielt angepasst werden können. Es wird erwartet, dass dadurch sowohl die Beweglichkeit der Domänenwände als auch die Steifigkeit des Gitters beeinflusst werden, was zur Piezokeramiken mit einstellbaren und thermisch stabilen elektromechanischen Resonanzeigenschaften führt und dadurch ein breites Spektrum piezoelektrischer Anwendungen ermöglicht. Der vorgeschlagene Ansatz wird an Bi-basierten bleifreien Piezokeramiken untersucht, die sich aufgrund ihrer erheblichen Dehnung und der über einen weiten Vibrationsgeschwindigkeitsbereich stabilen Eigenschaften als potenzielle Kandidaten für Hochleistungsanwendungen erwiesen haben und die Stabilität der bleibasierten kommerziellen Keramiken übertreffen. Die Proben werden durch Festkörpersynthese hergestellt und einer detaillierten Struktur-, Mikrostruktur- und elektrischen Analyse unterzogen, um Zusammensetzungen mit den gewünschten Eigenschaften zu identifizieren. Mithilfe dieser Piezokeramiken werden der grundlegende Einfluss von DC Spannung auf das Resonanzverhalten ermittelt und die Wirksamkeit der DC-Härtung untersucht. Dieses Projekt wird einen einfachen und neuen Weg zur Einstellung elektromechanischer Eigenschaften entwickeln und damit die Tür zu einem breiteren Spektrum piezoelektrischer Geräte und zu vollkommen neuen Anwendungen öffnen.