Entwicklung von neuen, bleifreien, piezokeramischen Scher- und Torsionswandlern

Das vorliegende Projekt befasst sich mit der Entwicklung von bleifreien, piezokeramischen, d15 Scher- und Torsionswandlern mit einem verbesserten Ansprechverhalten. Die zunehmende Hinwendung der wissenschaftlichen Forschung zu piezoelektrischen Materialien ist in deren großem Anwendungsbereich bei der Überwachung der Funktionsfähigkeit von Strukturen, der Dämpfung von Schwingungen, im Schallschutz, bei der Formgebung von Strukturen, beim Energie-Harvesting, in der biomedizinischen Industrie etc. begründet. Diese Anwendungen nutzen das ausgezeichnete Betätigungs- und Erfassungsvermögen von piezoelektrischen Materialien. Es ist allerdings notwendig, von piezoelektrischen Vorrichtungen, die Blei verwenden, wegen dessen Giftigkeit für den Menschen wegzukommen. Auch werden die weltweiten Beschränkungen für die Verwendung von bleihaltigen Materialien verstärkt. Deshalb ist in jüngster Vergangenheit die Nachfrage nach bleifreien Piezokeramiken stark gestiegen, um diesem Bedarf nachzukommen und den Umweltschutz zu verbessern. Das bleifreie piezokeramische Material NBT-BT (Na0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3) entwickelt sich dabei zu einem möglichen vielversprechenden Kandidaten als Ersatz für piezoelektrische Systeme auf Bleibasis, da es eine im elektrischen Feld induzierte starke Formänderung und ein sehr gutes piezoelektrisches Ansprechverhalten zeigt und einfach zu synthetisieren ist. Deshalb werden bleifreie NBT-BT-Piezokeramiksysteme zur Verwendung im d15 Schermodus vorgeschlagen und erfüllen die Anforderungen, die an hochleistungsfähige Scher- und Torsionswandler gestellt werden. Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung des piezoelektrischen Scheransprechverhaltens von bleifreien NBT-BT-Piezokeramiken ist das Strukturieren in einer (111)-Kornorientierung. In kornorientierten Keramiken wird die chaotische Anordnung von Domänen in eine geordnetere Struktur umgewandelt. Die Orientierung der Polachse in jedem Korn erfolgt in der gleichen Richtung und diese wird durch eine Berechnung auf der Grundlage des Lotgering Faktors quantifiziert. In der gegenständlichen Forschungsarbeit werden (111)-orientierte, bleifreie Piezokeramiken entwickelt und für das Ansprechverhalten im Schermodus charakterisiert. Diese Arbeit wird für eine Abschätzung der Größe der piezoelektrischen d15 Scherkonstante von bleifreien Piezokeramiken mit unterschiedlicher Größe des Lotgering Faktors, ein Verfahren zum Synthetisieren von bleifreien, (111)-strukturierten NBT-BT-Keramiken und das Leistungsvermögen von bleifreien, piezokeramischen d15 Scher- und Torsionswandlern sorgen. Von diesen NBT-BT-Systemen mit einem maximierten d15 Scher- Ansprechverhalten für ausgewählte Scher- und Torsionswandlungsanwendungen werden experimentelle Bezugsobjekte hergestellt. Das Erfassungs- und Betätigungsvermögen der hergestellten Bezugsobjekte wird unter dynamischen Bedingungen experimentell überwacht. Die experimentellen Bezugsobjekte werden außerdem unter Verwendung von finiten Elementen (FE) mit der Software ABAQUS modelliert und verifiziert. Die analytische Modellierung und Verifizierung der Experimente mit den bleifreien, piezokeramischen NBT-BT d15 Scher- und Torsionswandlern wird unter Verwendung der Transfermatrix und exakter 3D-Saint-Venant-Gleichungen durchgeführt. Ein anderer Schlüsselaspekt des vorliegenden Projekts besteht darin, in Österreich die aktuelle Forschung an piezoelektrischen Strukturen auf Bleibasis zu bleifreien Piezokeramiken hin zu lenken. Für die bleifreien Piezokeramiken gibt es derzeit weltweit keine Massenproduktion, und die Studien zu bleifreien piezokeramischen Wandlern in Bezug auf die Syntheseverfahren werden zur Entwicklung der erforderlichen Wissensbasis wesentlich beitragen. Deshalb wird in der Rückkehrphase des Projekts in Österreich der Wissenstransfer neuer Herstellungsverfahren für bleifreie d15 Piezokeramiken mit einem guten piezoelektrischen Ansprechverhalten umgesetzt.

Das vorliegende Projekt befasst sich mit der Entwicklung von bleifreien, piezokeramischen,d15 Scher- und Torsionswandlern mit einem verbesserten Ansprechverhalten. Die zunehmende Hinwendung der wissenschaftlichen Forschung zu piezoelektrischen Materialien ist in deren großem Anwendungsbereich bei der Überwachung der Funktionsfähigkeit von Strukturen, der Dämpfung von Schwingungen, im Schallschutz, bei der Formgebung von Strukturen, beim Energie-Harvesting, in der biomedizinischen Industrie etc. begründet. Diese Anwendungen nutzen das ausgezeichnete Betätigungs- und Erfassungsvermögen von piezoelektrischen Materialien. Es ist allerdings notwendig, von piezoelektrischen Vorrichtungen, die Blei verwenden, wegen dessen Giftigkeit für den Menschen wegzukommen. Auch werden die weltweiten Beschränkungen für die Verwendung von bleihaltigen Materialien verstärkt. Deshalb ist in jüngster Vergangenheit die Nachfrage nach bleifreien Piezokeramiken stark gestiegen, um diesem Bedarf nachzukommen und den Umweltschutz zu verbessern. Das bleifreie piezokeramische Material NBT-BT (Na0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3) entwickelt sich dabei zu einem möglichen vielversprechenden Kandidaten als Ersatz für piezoelektrische Systeme auf Bleibasis, da es eine im elektrischen Feld induzierte starke Formänderung und ein sehr gutes piezoelektrisches Ansprechverhalten zeigt und einfach zu synthetisieren ist. Deshalb werden bleifreie NBT-BT-Piezokeramiksysteme zur Verwendung im d15 Schermodus vorgeschlagen und erfüllen die Anforderungen, die an hochleistungsfähige Scher- und Torsionswandler gestellt. Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung des piezoelektrischen Scheransprechverhaltens von bleifreien NBT-BT-Piezokeramiken ist das Strukturieren in einer (111)-Kornorientierung. In kornorientierten Keramiken wird die chaotische Anordnung von Domänen in eine geordnetere Struktur umgewandelt. Die Orientierung der Polachse in jedem Korn erfolgt in der gleichen Richtung und diese wird durch eine Berechnung auf der Grundlage des Lotgering Faktors quantifiziert. In der gegenständlichen Forschungsarbeit werden (111)-orientierte, bleifreie Piezokeramiken entwickelt und für das Ansprechverhalten im Schermodus charakterisiert. Diese Arbeit sorgt für eine Abschätzung der Größe der piezoelektrischen d15 Scherkonstante von bleifreien Piezokeramiken mit unterschiedlicher Größe des Lotgering Faktors, ein Verfahren zum Synthetisieren von bleifreien, (111)-strukturierten NBT-BT-Keramiken und das Leistungsvermögen von bleifreien, piezokeramischen d15 Scherwandlern. Diese Studie zeigt eine bleifreie Piezokeramik, die einen riesigen piezoelektrischen Schubspannungs-Koeffizienten (e15) und eine große piezoelektrische Querschub-Stellkraft im Vergleich zu der auf Blei basierenden Scherungsschwinger Piezokeramik aufweist. Die Mn-modifizierte 0.93(Na0.5Bi0.5TiO3)-0.07BaTiO3 Zusammensetzung zeigt exzellente Eigenschaften als ein Torsionswandler mit einem piezoelektrischen Schubspannungs-Koeffizienten in der Größenordnung von 11.6 C/m2. Die Torsionswandler, bestehend aus zwei entgegengesetzt polarisierten piezokeramischen NBT-BT-Mn d15 Mode Scher-Patches, lieferte unter einem quasistatischen 150V Antrieb eine Verdrehungsrate von 0.08 mm/m/V. Der hohe Wert der piezoelektrischen d15 Scherkoeffizienten in dem NBT-BT-Mn Beispiel demonstrierte weiterhin das Potenzial in der praktischen Anwendung. Diese Ergebnisse bestätigen, dass bleifreie Piezokeramik so effektiv wie ihre bleihaltigen Gegenstücke sein kann.Schlüsselwörter: bleifrei, Piezokeramik, d15 Schermodus, Torsion, Wandler, Experiment