Danksagung II
Symbolverzeichnis IV
Abkürzungsverzeichnis VI
Inhalt VII
1 Einleitung 1
1.1 Piezoelektrische Werkstoffe 1
1.2 Zielstellung 2
1.3 Materialsystem 3
1.4 Lösungsansatz 3
2 Grundlagen 5
2.1 Klassifizierung dielektrischer Keramiken 5
2.1.1 Wirkung elektrischer Felder auf dielektrische, keramische Werkstoffe 5
2.1.2 Piezoelektrizität einkristalliner und keramischer Dielektrika 7
2.1.3 Pyroelektrizität keramischer Dielektrika 8
2.1.4 Ferroelektrizität keramischer Dielektrika 8
2.2 Piezokeramische Werkstoffe des Systems PZT 10
2.2.1 Blei- Zirkonat- Titanat (PZT) 11
2.2.2 Domänenstruktur des PZT 12
2.2.3 Intrinsische und extrinsische Beiträge zu den piezoelektrischen Eigenschaften nach der Polung 13
2.2.4 Der morphotrope Phasenübergang im PZT 14
2.2.5 Entwicklung von PZT Werkstoffen mit spezifischen Eigenschaften 15
2.2.6 Das Werkstoffsystem Pb(ZrXTi1-X)O3-Sr(K0,25 Nb0,75)O3 (PZT/SKN) 18
2.3 Das Phasendiagramm des Werkstoffsystems PZT 20
2.4 Beschreibung der piezoelektrischen Eigenschaften 26
2.4.1 Die Komponenten der piezoelektrischen Eigenschaftsmatrix für perowskitische, piezokeramische Werkstoffe 28
2.4.2 Definition der Kohärenz von piezoelektrischen Eigenschaftsmatrizen 30
2.4.3 Mathematische Kohärenz 30
2.4.4 Physikalische Konsistenz 31
2.5 Schwingungsmoden piezokeramischer Probenkörper 32
2.5.1 Longitudinalschwingung (3-3 Schwingung) 34
2.5.2 Transversalschwingung (3-1 Schwingung) 34
2.5.3 Planarschwingung (Radial- Schwingung) 35
2.5.4 Dicken- Dehnungs- Schwingung (Dickenschwingung) 35
2.5.5 Dicken- Scher- Schwingung (1-5 Schwingung) 36
3 Messmethoden 37
3.1 Bestimmung der Matrix der piezoelektrischen Komponenten nach DIN Standard 37
3.2 Impedanzanalyse 38
3.2.1 Das Impedanzspektrum piezoelektrischer Proben 39
3.3 Röntgen- Diffraktometrie (XRD) 43
4 Experimentelle Durchführung 45
4.1 Verwendete Werkstoffe und Probenvorbereitung 46
4.1.1 Dichtebestimmung 48
4.2 Temperaturabhängige Kleinsignalimpedanzmessung 49
4.3 Röntgen– Diffraktometrie– Untersuchungen (XRD) 56
4.4 Keramographie 58
4.5 Automatisierung des Messsystems 59
5 Datenaufbereitung und Primärdatenerfassung 59
5.1 Kompensation von Messfehlern 59
5.2 Datenverarbeitung 59
5.3 Ermittlung einer optimierten piezoelektrischen Eigenschaftsmatrix 60
5.3.1 Bestimmung der vorläufigen Eigenschaftsmatrix 61
5.3.2 Berechnung einer optimierten Eigenschaftsmatrix und Minimierung der Messfehler 64
5.4 Bestimmung der Phasenlage mittels Röntgen- Diffraktometrie- Untersuchungen 65
5.5 Temperatur- und Zusammensetzungs- Eigenschafts- Mappings 71
5.6 Einführung von „Pseudo- Phasengrenzen“ 72
6 Ergebnisse und Diskussion 75
6.1 Ergebnisse der keramographischen Untersuchungen 75
6.2 Ergebnisse der XRD Untersuchungen 80
6.3 Ergebnisse der temperaturabhängigen Kleinsignalimpedanzmessungen 85
6.4 Korrelation von Phasenlage und PbZrO3-Anteil 91
6.5 Erstellen einer vollständigen, kohärenten Eigenschaftsmatrix an einem konkreten Beispiel 100
6.6 Selbstkonsistenzprüfung anhand eines FEM Modells in ANSYS 112
6.7 Bestimmung der Phasenlage anhand einfacher, temperaturabhängiger Messungen 118
6.7.1 Bestimmung der absoluten Phasenlage bei Proben des Systems PZT/SKN 119
6.8 Fehlerdiskussion 121
7 Zusammenfassung 123
8 Ausblick 124
9 Abschließende Anmerkungen 125
10 Literaturverzeichnis 126
