Werkstoffe auf Basis von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) sind momentan die wichtigsten Vertreter der Piezokeramiken und werden in einer Vielzahl von Anwendungen wie Aktoren, Sensoren und Wandler kommerziell eingesetzt. Seit Beginn der 1990-iger Jahre gibt es getrieben durch ein wachsendes Umweltbewusstsein international verstärkte Anstrengungen, das PZT durch bleioxidfreie Alternativen zu ersetzen. Die intensive Suche nach alternativen Werkstoffen auf dem Gebiet der Piezokeramiken spiegelt sich in der großen Anzahl von Publikationen in den letzten Jahren wider. Als besonders aussichtsreiche Kandidaten stellten sich dabei Zusammensetzungen basierend auf Kalium-Natrium-Niobat (KNN) heraus.
In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur Herstellung von modifizierten KNN-Keramiken durchgeführt mit dem Ziel, diese Werkstoffe für das IKTS zu er-schließen. Dabei ging es um die Erarbeitung einer Synthese- und Verarbeitungstechnologie, mit deren Hilfe Keramiken mit reproduzierbaren Eigenschaften herstellbar sind, die dem Stand der Technik entsprechen.
Inhaltsverzeichnis
- Kurzbeschreibung
- Inhaltsverzeichnis
- Abkürzungsverzeichnis
- Symbolverzeichnis
- Einleitung und Motivation
- Theoretische Grundlagen
- Piezo-, Pyro- und Ferroelektrizität
- Piezoelektrizität
- Pyroelektrizität
- Ferroelektrizität
- Perowskitstruktur
- Domänenkonfiguration und Polarisation
- Dielektrische und elektromechanische Klein- und Großsignaleigenschaften
- Elektromechanische Kleinsignaleigenschaften
- Dielektrisches Kleinsignalverhalten
- Dielektrisches und elektromechanisches Großsignalverhalten
- Stand der Technik
- Chemische Modifikation von KNN
- Herstellung von polykristallinen KNN-Keramiken
- Spark Plasma Sintering (SPS)
- Piezo-, Pyro- und Ferroelektrizität
- Experimentelles
- Herstellung von KNN
- Variante 1 [PKM (3 h/4 h); Fritte; 800 °C/ 5 h; 2 h; Labor]
- Variante 2 [PKM (3 h/4 h); TS; 650 °C/ 12 h; 2 h; Labor]
- Variante 3 [PKM (3 h/4 h); TS; 800 °C/ 5 h; 2 h; Labor]
- Variante 4 [PKM (3 h/4 h); TS; 800 °C/ 5 h; 2 h; Glovebox]
- Variante 5 [PKM (6 h/6 h); TS; 800 °C/ 5 h; 6 h; Labor]
- Variante 6 [RWKM (6 h/6 h); TS; 800 °C/ 5 h; 6 h; Labor]
- Sinterung
- Kontaktierung und Polung
- Kleinsignalmessung
- Temperaturabhängige Kapazitätsmessung
- Gefügeanalyse mittels Feldemissions-Rasterelektronen-Mikroskop (FESEM)
- Phasenanalyse mittels Röntgenbeugung (XRD)
- Dehnungsmessung
- Hysteresemessung
- Herstellung von KNN
- Ergebnisse und Auswertung
- Voruntersuchungen
- Variante 1 [PKM (3 h/4 h); Fritte; 800 °C/ 5 h; 2 h; Labor]
- Luftsinterung
- Sauerstoffsinterung
- Sinterung mit SPS
- Variante 2 [PKM (3 h/4 h); TS; 650 °C/ 12 h; 2 h; Labor]
- Luftsinterung
- Sauerstoffsinterung
- Variante 3 [PKM (3 h/4 h); TS; 800 °C/ 5 h; 2 h; Labor]
- Luftsinterung
- Sauerstoffsinterung
- Variante 4 [PKM (3 h/4 h); TS; 800 °C/ 5 h; 2 h; Glovebox]
- Luftsinterung
- Sauerstoffsinterung
- Variante 5 [PKM (6 h/6 h); TS; 800 °C/ 5 h; 6 h; Labor]
- Luftsinterung
- Sauerstoffsinterung
- Sinterung mit SPS
- Variante 6 [RWKM (6 h/6 h); TS; 800 °C/ 5 h; 6 h; Labor]
- Diskussion
- Zusammenfassung
- Ausblick
- Literaturverzeichnis
- Anhang
- Danksagung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung von bleioxidfreien Piezokeramiken im System Kalium - Natrium - Niobat (KNN). Das Ziel ist die Entwicklung einer effizienten Synthese- und Verarbeitungstechnologie für KNN-Keramiken, die reproduzierbare Eigenschaften aufweist und dem Stand der Technik entspricht. Die Arbeit untersucht den Einfluss verschiedener technologischer Parameter wie Homogenisierung der Rohstoffe, Mahl- und Mischprozesse sowie Calcinations- und Sinterbedingungen auf die Eigenschaften der resultierenden Keramiken.
- Herstellung und Charakterisierung bleioxidfreier Piezokeramiken im System KNN
- Entwicklung einer effizienten Synthese- und Verarbeitungstechnologie für KNN-Keramiken
- Untersuchung des Einflusses von technologischen Parametern auf die Eigenschaften der Keramiken
- Charakterisierung der di- und piezoelektrischen Eigenschaften der hergestellten KNN-Keramiken
- Bewertung der Eignung von KNN-Keramiken als bleioxidfreie Alternative für Piezoanwendungen
Zusammenfassung der Kapitel
Die Arbeit beginnt mit einer Einleitung, die die Motivation für die Forschung und die Bedeutung von bleioxidfreien Piezokeramiken beleuchtet. Anschließend werden die theoretischen Grundlagen der Piezoelektrizität, der Perowskitstruktur und der Domänenkonfiguration sowie die relevanten dielektrischen und elektromechanischen Eigenschaften erläutert. Der Stand der Technik im Bereich der KNN-Keramiken wird im nächsten Kapitel zusammengefasst, wobei die chemische Modifikation von KNN und die gängigen Herstellungsmethoden vorgestellt werden. Das Kapitel "Experimentelles" beschreibt die Durchführung der Synthese und Charakterisierung der KNN-Keramiken. Hier werden die verschiedenen Herstellungsvarianten mit den jeweiligen Parametern detailliert dargestellt, die Sinterung und Polung der Proben sowie die verwendeten Analysemethoden erläutert. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden im Kapitel "Ergebnisse und Auswertung" präsentiert und diskutiert. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der wichtigsten Erkenntnisse und einem Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten.
Schlüsselwörter
Piezokeramiken, bleioxidfrei, Kalium-Natrium-Niobat (KNN), Synthese, Verarbeitungstechnologie, di- und piezoelektrische Eigenschaften, Sinterung, Spark Plasma Sintering (SPS), Charakterisierung, Gefügeanalyse, Phasenanalyse, Dehnungsmessung, Hysteresemessung.
- Arbeit zitieren
- Maik Scholz (Autor:in), 2010, Herstellung und Charakterisierung bleioxidfreier Piezokeramiken im System Kalium-Natrium-Niobat (KNN), München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/323787
