Erhöhung der Bruchzähigkeit in Bismuth-basierten bleifreien Piezokeramiken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Rödel
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 229436520

Vielschichtaktuatoren unterliegen in der Anwendung Temperaturen bis zu 150°C mit der Gefahr der Rissausbreitung ausgehend von internen Elektrodenkanten. Der Ersatz bleihaltiger Piezokeramiken durch bleifreie Piezokeramiken erfordert somit auch ein Verständnis über die mechanischen Eigenschaften wie z.B. den temperaturabhängigen Rissfortschritt. Großes Potenzial unter den neuen Materialien weisen bismuth-basierte Piezokeramiken auf, die höhere Dehnungen als Bleizirkonat-Titanat durch eine feld-induzierte ferroelektrische Ordnung aufweisen. Diese Materialien sind durch Phasendiagramme mit ergodischen, nicht-ergodischen und ferroelektrischen Phasen gekennzeichnet. Wie bereits von PMN-PT bekannt, sind die Phasenübergänge zwischen Relaxor und Ferroelektrikum nicht nur eine Funktion der Temperatur sondern auch des elektrischen Feldes. Die Phasenübergänge in BNT-BT (Bismuth-Natrium-Titanat - Bariumtitanat) Materialien hängen ebenfalls von der mechanischen Spannung ab. Deshalb soll in diesem Antrag der Rissfortschritt in BNT-BT mit verschiedener Dotierung untersucht werden. Das angestrebte Temperaturintervall umfasst sowohl ergodische und nicht-ergodische Relaxoren als auch Ferroelektrika. Im Fokus stehen Materialien mit einer Prozesszone um die Rissspitze, in der eine reversible oder irreversible Phasenumwandlung stattfindet. Die entstehende ferroelektrische Phase führt zu ferroelektrischer Verzähung, wobei das umgebende Material aber nicht umwandelt. Diese Umwandlung wird weiterhin durch die Ermittlung von Spannungs-Dehnungs-Kurven beschrieben. Ebenso wird die dabei statt findende Volumenänderung quantifiziert. Experimente zur in-situ Synchrotron- und Neutronenbeugung an ausgewählten Materialien unter uniaxialer Belastung und beim Rissfortschritt werden herangezogen, um die Erhöhung der Bruchzähigkeit und das entstehende R-Kurvenverhalten zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen