Piezo Werkstoffe Tutorium
Der Piezoeffekt
Piezoelektrische Keramiken zählen zur Gruppe der ferroelektrischen Materialien. Ferroelektrika sind Kristalle, die ohne ein angelegtes elektrisches Feld polar sind. Dieser Zustand wird auch als spontane Polarisation bezeichnet. Charakteristisch ist die thermodynamisch stabile Umkehrbarkeit ihrer Polarisationsachse unter Einwirkung eines elektrischen Feldes, beschrieben durch den Verlauf einer Hystereseschleife. Die Umkehrbarkeit der Polarisation bzw. die Kopplung zwischen mechanischen und elektrischen Größen ist von entscheidender Bedeutung für die breite technische Nutzung der Piezokeramiken.
Aus kristallografischer Sicht zeigen diese piezoelektrischen Materialien eine sog. Perowskit- Kristallstruktur. Diese beschreibt eine Reihe von Verbindungen mit drei Atomarten der allgemeinen Formel ABC.
Die heute gebräuchlichen Piezokeramiken werden vorzugsweise aus Blei-, Zirkon- und Titanoxiden als Hauptbestandteile zum PbTiO3 - PbZrO3 -Typ, und auch BaTiO3 synthetisiert.
Spezielle Dotierungen dieser Blei-Zirkonat-Titanat-Keramiken (PZT)mit z. B. Ni-, Bi-. Sb-, Nb- Ionen usw., ermöglichen das gezielte Einstellen der geforderten piezoelektrischen und dielektrischen Parameter.
Oberhalb einer charakteristischen Temperatur, der sog. Curietemperatur, sind diese Materialien nicht ferroelektrisch. Es liegen paraelektrische Eigenschaften vor, d.h. es sind keine Dipole vorhanden. Die relative Dielektrizitätskonstante besitzt in der Umgebung dieser Temperatur ein ausgeprägtes Maximum.
Unterhalb des Curiepunktes des Materials treten, ausgehend von einem kubischen und elektrisch neutralen Kristallaufbau, Gitterverzerrungen auf. Mit Aufhebung der damit verbundenen Ladungssymmetrie entstehen Dipole und die für die Piezotechnologie interessanten rhomboedrischen bzw. tetragonalen Kristallitphasen bilden sich heraus.
Ferroelektrische Domänen undPolarisation der Piezokeramik
Ein ferroelektrischer Kristall kann in Raumgebiete unterschiedlicher Polarisations-richtung eingeteilt werden, sog. ferroelektrische Domänen. Unter einer Domäne in einem Festkörper versteht man allgemein ein physikalisch abgegrenztes Raum-gebiet, in dem eine den Zustand des Festkörpers charakterisierende vektorielle Größe überall die gleiche Richtung hat. Diese charakteristische Größe einer ferroelektrischen Domäne besteht in gleicher Ausrichtung und gleichem Absolutbetrag der spontanen Polarisation. Je nach Korngröße des polykristallinen Keramikmaterials enthalten die Einzelkristallite nur einige wenige Domänen, abgegrenzt durch sog. Domänenwände.
Bei großen Änderungen der elektrischen Feldstärke bzw. mechanischen Spannung kommt es zu Domänenwand- Schaltprozessen, d.h. einzelne Raumbereiche werden durch Domänen-Neubildung umgepolt. Diese Schaltprozesse und irreversible Domänenwandverschiebungen sind u.a. die Ursachen der bekannten ferroelektrischen Hysteresekennlinien.
Im Herstellungsprozess piezoelektrischer Keramiken sind diese polykristallinen Materialien nach dem Sinterprozess im sog. thermisch-depolarisierten Zustand. Statistisch gesehen existiert eine nahezu gleichverteilte Ausrichtung der spontanen Polarisationsrichtungen in den Domänen und das Material ist isotrop, d.h. nicht piezoelektrisch. Durch das Anlegen eines starken elektrischen Feldes E werden diese spontanen Domänenpolarisationen bis zur Sättigung Ps umorientiert. Es entsteht ein resultierender remanenter Polarisationsvektor parellel zur Richtung des Polungsfeldes und das Material ist anisotrop bzw. piezoelektrisch.
Direkter Piezoeffekt
Mechanische Spannungen durch Krafteinwirkung von außen auf den piezoelektrischen Körper induzieren Verschiebungen der positiven und negativen Gitterbausteine, welche in Dipolmomenten zum Ausdruck kommen. Der damit verbundene Aufbau eines elektrischen Feldes erzeugt elektrische Spannungen. Vielfach wird dieser direkte Piezoeffekt in der Literatur auch Generatoreffekt genannt.
Inverser Piezoeffekt
Das Anlegen einer elektrischen Spannung an einen piezoelektrischen Körper bewirkt dessen geometrische Deformation im ungeklemmten Zustand. Die erzielte Bewegung ist abhängig von der Polarität der angelegten Spannung und der Richtung des Vektors der Polarisation. Das Anlegen einer Wechselspannung erzeugt eine zyklische Änderung der Geometrie (z.B. Zunahme bzw. Verringerung des Durchmessers einer Scheibe). Wird der Körper geklemmt, d.h. Behinderung einer freien Deformation, wird eine mechanische Spannung bzw. Kraft generiert. Dieser Effekt wird vielfach auch Motoreffekt genannt.
Kubische (paraelektrische)und tetragonale (ferroelektrische) Struktur von PZT und BaTiO3 vor und nach dem Anlegen eines elektrischen Feldes bzw. Einwirken einer mechanischen Spannung
Symbolische Darstellung der elektrischen Orientierungsvorgänge in piezoelektrischer Keramik, am Beispiel der Korn- und Domänenstruktur
Ferroelektrische Hysterese
Erst beim Erreichen der Koerzitivfeldstärke Ec durch ein entgegengerichtetes elektrisches Feld wird die Polarisation wieder aufgehoben. Eine weitere Erhöhung dieses Gegenfeldes führt wieder zu einer Polarisation, aber mit umgekehrtem Vorzeichen.
Krafteinwirkung auf Zylinder mit Voltmeter
Deformation eines piezokeramischen Körpers bei anliegender Spannung