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
1 Einleitung und Motivation
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Piezo-, Pyro- und Ferroelektrizität
2.1.1 Piezoelektrizität
2.1.2 Pyroelektrizität
2.1.3 Ferroelektrizität
2.2 Perowskitstruktur
2.3 Domänenkonfiguration und Polarisation
2.4 Dielektrische und elektromechanische Klein- und Großsignaleigenschaften
2.4.1 Elektromechanische Kleinsignaleigenschaften
2.4.2 Dielektrisches Kleinsignalverhalten
2.4.3 Dielektrisches und elektromechanisches Großsignalverhalten
2.5 Stand der Technik
2.5.1 Chemische Modifikation von KNN
2.5.2 Herstellung von polykristallinen KNN-Keramiken
2.6 Spark Plasma Sintering (SPS)
3 Experimentelles
3.1 Herstellung von KNN
3.1.1 Variante 1 [PKM (3 h/4 h); Fritte; 800 °C/ 5 h; 2 h; Labor]
3.1.2 Variante 2 [PKM (3 h/4 h); TS; 650 °C/ 12 h; 2 h; Labor]
3.1.3 Variante 3 [PKM (3 h/4 h); TS; 800 °C/ 5 h; 2 h; Labor]
3.1.4 Variante 4 [PKM (3 h/4 h); TS; 800 °C/ 5 h; 2 h; Glovebox]
3.1.5 Variante 5 [PKM (6 h/6 h); TS; 800 °C/ 5 h; 6 h; Labor]
3.1.6 Variante 6 [RWKM (6 h/6 h); TS; 800 °C/ 5 h; 6 h; Labor]
3.2 Sinterung
3.3 Kontaktierung und Polung
3.4 Kleinsignalmessung
3.5 Temperaturabhängige Kapazitätsmessung
3.6 Gefügeanalyse mittels Feldemissions-Rasterelektronen-Mikroskop (FESEM)
3.7 Phasenanalyse mittels Röntgenbeugung (XRD)
3.8 Dehnungsmessung
3.9 Hysteresemessung
4 Ergebnisse und Auswertung
4.1 Voruntersuchungen
4.2 Variante 1 [PKM (3 h/4 h); Fritte; 800 °C/ 5 h; 2 h; Labor]
4.2.1 Luftsinterung
4.2.2 Sauerstoffsinterung
4.2.3 Sinterung mit SPS
4.3 Variante 2 [PKM (3 h/4 h); TS; 650 °C/ 12 h; 2 h; Labor]
4.3.1 Luftsinterung
4.3.2 Sauerstoffsinterung
4.4 Variante 3 [PKM (3 h/4 h); TS; 800 °C/ 5 h; 2 h; Labor]
4.4.1 Luftsinterung
4.4.2 Sauerstoffsinterung
4.5 Variante 4 [PKM (3 h/4 h); TS; 800 °C/ 5 h; 2 h; Glovebox]
4.5.1 Luftsinterung
4.5.2 Sauerstoffsinterung
4.6 Variante 5 [PKM (6 h/6 h); TS; 800 °C/ 5 h; 6 h; Labor]
4.6.1 Luftsinterung
4.6.2 Sauerstoffsinterung
4.6.3 Sinterung mit SPS
4.7 Variante 6 [RWKM (6 h/6 h); TS; 800 °C/ 5 h; 6 h; Labor]
5 Diskussion
6 Zusammenfassung
7 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Diplomarbeit ist die Erforschung und Etablierung einer zuverlässigen Synthese- und Verarbeitungstechnologie für bleioxidfreie Piezokeramiken auf Basis von Kalium-Natrium-Niobat (KNN), um diese als ökologisch verträgliche Alternative zu PZT-basierten Werkstoffen im industriellen Maßstab verfügbar zu machen. Die Forschungsarbeit konzentriert sich dabei primär auf die Optimierung der technologischen Parameter zur Erreichung reproduzierbarer Materialeigenschaften.
- Entwicklung und Modifikation von KNN-Keramik-Rezepturen unter Einsatz von Lithium, Tantal und Antimon.
- Untersuchung unterschiedlicher Mahl- und Homogenisierungsprozesse (z. B. Planetenkugelmühle versus Rührwerkskugelmühle).
- Vergleich verschiedener Sinterverfahren, einschließlich Luftsinterung, Sauerstoffsinterung und Spark Plasma Sintering (SPS).
- Charakterisierung der dielektrischen, elektromechanischen und strukturellen Eigenschaften (FESEM, XRD, Hysteresemessungen).
- Analyse der Einflüsse von Herstellungsvarianten auf die Phasenübergänge und Materialqualität.
Auszug aus dem Buch
2.6 Spark Plasma Sintering (SPS)
Das Spark Plasma Sinterverfahren (SPS), auch bekannt unter dem Namen Field Assisted Sintering Technology (FAST), ist ein mit dem uniaxialen Heißpressen vergleichbares Sinterverfahren. Die Sinterung erfolgt bei diesem Verfahren in dem durch das Presswerkzeug (Graphitmatrize und Stempel) und den Sinterkörper gepulster Gleichstrom mit hoher Stromstärke und niedriger Spannung geleitet wird. Als Mechanismus wird vermutet, dass an den vergleichsweise kleinen Kontaktpunkten zwischen den Pulverteilchen Entladungen auftreten. Dabei kommt es zu einem kurzen und räumlich begrenzten Anstieg der Temperatur und des Drucks [Hun09]. Dadurch sind Heizraten von > 300 K und kurze Prozesszeiten von wenigen Minuten möglich. Es können somit dichte Proben bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen hergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil des SPS-Verfahren ist die Entkopplung von Sinterung und Kornwachstum. Durch den, während der Sinterung herrschenden hohen Druck und der damit verbundenen niedrigeren Temperatur kommt es kaum zu Mischkristallbildung und Kornwachstum [Sem06]. Diese Effekte können durch eine anschließende Temperung der Proben eingestellt werden, um somit die Eigenschaften zu steuern. Abbildung 7 zeigt den schematischen Aufbau einer SPS-Anlage.
Zusammenfassung der Kapitel
Einleitung und Motivation: Umreißt die Notwendigkeit, bleihaltige Piezokeramiken wie PZT durch umweltfreundlichere KNN-basierte Alternativen zu ersetzen und definiert das Ziel, diese für industrielle Anwendungen technologisch nutzbar zu machen.
Theoretische Grundlagen: Erläutert die physikalischen Prinzipien der Piezo-, Pyro- und Ferroelektrizität sowie die strukturellen Eigenschaften der Perowskite, inklusive Domänenbildung und Einfluss chemischer Modifikationen.
Experimentelles: Beschreibt die konkreten Herstellungsschritte der KNN-Proben, von der Pulvervorbehandlung über verschiedene Mahlvarianten und Sintertechniken bis hin zu den Messmethoden der Charakterisierung.
Ergebnisse und Auswertung: Präsentiert die experimentellen Daten der sechs Herstellungsvarianten, analysiert die Einflüsse von Sinteratmosphäre und Prozessparametern auf Gefüge sowie elektromechanische Kennwerte.
Diskussion: Vergleicht die eigenen Messergebnisse mit Literaturwerten, identifiziert Ursachen für Schwankungen in der Materialqualität und bewertet die Eignung der gewählten Fertigungsverfahren.
Zusammenfassung: Fasst die gewonnenen Erkenntnisse zur technologischen Umsetzbarkeit zusammen und identifiziert die erfolgreichsten Ansätze für die Herstellung von KNN-Piezokeramiken.
Ausblick: Formuliert Ansätze für künftige Forschungsarbeiten, insbesondere zur Verbesserung der Homogenität und der Reproduzierbarkeit der Keramikeigenschaften.
Schlüsselwörter
Piezokeramik, Kalium-Natrium-Niobat, KNN, Perowskitstruktur, Spark Plasma Sintering, SPS, Phasenübergang, Ferroelektrizität, Materialwissenschaft, Synthesetechnologie, Homogenisierung, Sinterung, Kornwachstum, Koppelfaktor, Remanente Polarisation
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von bleioxidfreien Piezokeramiken im System Kalium-Natrium-Niobat (KNN) als Ersatz für umweltschädliche bleihaltige Materialien.
Was sind die zentralen Themenfelder der Forschung?
Die zentralen Themen sind die effiziente Herstellung von KNN-Keramiken durch optimierte chemische Modifikation, verschiedene Mahlprozesse und fortschrittliche Sintertechnologien wie SPS.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist es, eine reproduzierbare Synthese- und Verarbeitungstechnologie zu finden, die KNN-Keramiken mit definierten Eigenschaften für industrielle Anwendungen am Fraunhofer IKTS verfügbar macht.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Die Arbeit nutzt experimentelle Methoden wie die thermogravimetrische Analyse (DTA/DTG), Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM), Röntgenbeugung (XRD) sowie diverse elektrische Messverfahren zur Charakterisierung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden sechs verschiedene Herstellungsvarianten für KNN-Pulver und deren anschließende Sinterung unter Luft- oder Sauerstoffatmosphäre sowie mittels SPS detailliert analysiert und gegenübergestellt.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie KNN, Piezokeramik, Perowskitstruktur, Sinterung, Phasenübergang und Materialcharakterisierung geprägt.
Warum spielt die Sauerstoffsinterung eine so große Rolle in der Untersuchung?
Die Sauerstoffsinterung wurde untersucht, um ein dichteres Gefüge zu erzielen, da Stickstoff aus der Luft in der Perowskitstruktur problematisch sein kann und Sauerstoff die Anzahl von Fehlstellen im Gitter reduziert.
Welche Herausforderungen bei der Herstellung der Proben wurden identifiziert?
Eine zentrale Herausforderung war die Erzielung einer homogenen Verteilung der dotierten Elemente wie Tantal, da Inhomogenitäten in der Zusammensetzung direkt zu schwankenden elektromechanischen Messwerten führen.
- 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
