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Wie stellt man piezoelektrische Materialien her?


Eine traditionelle piezoelektrische Keramik ist eine Masse von Perowskit-Keramikkristallen, die jeweils aus einem kleinen vierwertigen Metallion, meist Titan oder Zirkonium, in einem Gitter aus größeren, zweiwertigen Metallionen, meist Blei oder Barium, und O2-Ionen bestehen. Unter Bedingungen, die den Kristallen tetragonale oder rhomboedrische Symmetrie verleihen, hat jeder Kristall ein Dipolmoment.

Um eine piezoelektrische Keramik herzustellen, werden feine PZT-Pulver der Komponentenmetalloxide in bestimmten Anteilen gemischt und dann erhitzt, um ein einheitliches Pulver zu bilden. Das Piezopulver wird mit einem organischen Bindemittel vermischt und zu Strukturelementen mit der gewünschten Form (Scheiben, Stäbe, Platten etc.) geformt. Die Elemente werden nach einem bestimmten Zeit- und Temperaturprogramm gebrannt, wobei die Piezopulverpartikel sintern und das Material eine dichte Kristallstruktur erhält. Die Elemente werden gekühlt, dann spezifikationsgerecht geformt oder getrimmt und Elektroden werden auf die entsprechenden Oberflächen aufgebracht.

Oberhalb einer kritischen Temperatur, dem Curie-Punkt, weist jeder Perowskitkristall im gebrannten Keramikelement eine einfache kubische Symmetrie ohne Dipolmoment auf. Bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punktes weist jedoch jeder Kristall eine tetragonale oder rhomboedrische Symmetrie und ein Dipolmoment auf. Angrenzende Dipole bilden Regionen mit lokaler Ausrichtung, die als Domänen bezeichnet werden. Die Ausrichtung verleiht der Domäne ein Nettodipolmoment und somit eine Nettopolarisation. Die Polarisationsrichtung zwischen benachbarten Domänen ist jedoch zufällig, sodass das Keramikelement keine Gesamtpolarisation aufweist.

Die Domänen in einem piezokeramischen Element werden ausgerichtet, indem das Element einem starken elektrischen Gleichstromfeld ausgesetzt wird, normalerweise bei einer Temperatur etwas unter dem Curie-Punkt. Durch diese Polarisations-(Poling-)Behandlung dehnen sich Domänen, die am nächsten zum elektrischen Feld ausgerichtet sind, auf Kosten von Domänen, die nicht auf das Feld ausgerichtet sind, und das Element verlängert sich in Feldrichtung. Wenn das elektrische Feld entfernt wird, werden die meisten Dipole in einer Konfiguration mit nahezu Ausrichtung verriegelt. Das Element hat nun eine permanente Polarisation, die remanente Polarisation, und ist permanent gedehnt.



Polung einer piezoelektrischen Keramik

Auswirkungen des elektrischen Feldes

Analog zu entsprechenden Eigenschaften ferromagnetischer Materialien weist ein gepoltes ferroelektrisches Material eine Hysterese auf. Abbildung 1.3 zeigt eine typische Hysteresekurve, die erzeugt wird, indem ein elektrisches Feld an ein piezoelektrisches Keramikelement angelegt wird, bis die maximale Polarisation Ps erreicht ist, wobei das Feld auf Null reduziert wird, um die remanente Polarisation Pr zu bestimmen, das Feld umgekehrt wird, um eine negative maximale Polarisation zu erreichen und negative remanente Polarisation und Rückumkehren des Feldes, um die positive remanente Polarisation wiederherzustellen. Der Verlauf unterhalb der Hysteresekurve zeigt die relative Änderung der Abmessung des Keramikelements entlang der Polarisationsrichtung, entsprechend der Änderung des elektrischen Feldes. Die relative Zunahme/Abnahme der Dimension parallel zur Richtung des elektrischen Feldes geht mit einer entsprechenden, jedoch etwa 50% kleineren relativen Abnahme/Zunahme der Dimension senkrecht zum elektrischen Feld einher. Abbildung 1.3. Auswirkungen des elektrischen Feldes (E) auf die Polarisation (P) und die entsprechende Dehnung/Kontraktion eines keramischen Elements

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