Piezoelektrische Härtungsmechanismen unter externer Spannung

Moderne elektromechanische Geräte basieren vermehrt auf piezoelektrischen Materialien, die die Herstellung von effizienten und miniaturisierten Aktoren/Motoren, Ultraschallwandler oder Sensoren ermöglichen. Solche Elemente werden in der Automobilindustrie, Robotik, medizinischen Diagnostik, Akustik, Energieumwandlung und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Diese Anwendungen sollen unter immer härteren Bedingungen eingesetzt werden, was eine große Herausforderung für piezoelektrische Materialien darstellt. Tatsächlich stellen die Grenzen der Materialien derzeit auch die Grenzen für die Einsetzbarkeit dieser Geräte dar, beispielsweise hinsichtlich des Temperaturbereichs oder der mechanischen Belastung. Bei Anwendungen, die auf der piezoelektrischen Resonanzschwingung basieren, sind diese Grenzen nur unzureichend untersucht und offenbaren das mangelnde Verständnis der grundlegenden physikalischen Mechanismen, die während des Hochfrequenzantriebs im Material ablaufen. Ziel dieses Projekts ist es, den Einfluss mechanischer Spannung auf piezoelektrische Materialien in der Resonanz sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene zu untersuchen. Solche Spannungen können entweder unabsichtlich durch den Einbau in das elektromechanische Gerät oder absichtlich durch mechanische Vorspannung entstehen. Im Projekt wird untersucht, wie die mikroskopischen piezoelektrischen Härtungsmechanismen (d. h., die Wechselwirkung von Domänenwänden mit Defekten) durch die von außen aufgebrachter mechanischer Spannung beeinflusst werden. Im ersten Teil wird ein Messverfahren für Resonanzmessungen unter mechanischer Belastung entwickelt, dass neue Erkenntnisse zur Untersuchung der lokalen Prozesse im Material liefern wird und diese mit den makroskopischen Funktionseigenschaften in Beziehung setzt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse zur Weiterentwicklung der theoretischen Formalismen beiträgt. Im zweiten Schritt werden verschiedene piezokeramische Materialien untersucht und verglichen, um die Effizienz einzelner Härtungsmechanismen zu ermitteln. Das Projekt wird das Grundwissen über das Verhalten von Materialien unter extremen Bedingungen erweitern und es ermöglichen, die Grenzen besser zu verstehen. Dies wird einerseits dazu beitragen, die verschiedenen piezoelektrischen Härtungsmechanismen kritisch zu bewerten und die Entwicklung neuer Materialzusammensetzungen mit verbesserten Eigenschaften zu erleichtern. Andererseits wird dieses Wissen auch eine weitere Miniaturisierung der Elemente ermöglichen und anregen, neue piezoelektrischer Anwendungen für extremen Umgebungen zu entwickeln, die heute undenkbar erscheinen.