Piezoelektrische und akustische Werkstoffe für ... · Aufbereitung von PZT Keramik Rohstoffe -...
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© Fraunhofer IKTS Schönecker Vorlesung Funktionskeramik 2012
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Vorlesung 3 - 23.06.2017
Piezoelektrische und akustische Werkstoffe für elektromechanische Wandler
Bleizirkonattitanat
Bleifreie Piezokeramiken
Ferroelektrische Einkristalle
Piezoelektrische Kompositwerkstoffe
Kontakt : [email protected]
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Bleizirkonattitanat - PZT
Ferroelektrische Phasen, Phasendiagramm
Pulvertechnologische Herstellung
Modifikation durch Dotierung und Mischkristallbildung
Stabilitätsbereich der Perowskitstruktur
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Pb (Blei)
O (Sauerstoff)
Bleizirkonattitanat Pb(ZrxTi1-x)O3 [PZT]
Kommerziell bedeutsamstes
Werkstoffsystem der
piezoelektrischen Keramiken
- zeigt die „besten“ Kenndaten
- Konventionelle Keramiktechnologie
anwendbar
- Hohe Flexibilität zur Anpassung des
Eigenschaftsprofils (Dotierung,
Mischkristallbildung)
Basis sind lückenlos mischbare
Verbindungen aus
PbTiO3 – PbZrTiO3 = Pb(ZrxTi1-x)O3
Ti oder
Zr
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Ferroelektrische Phasen von PZT
PZT bildet, in
Abhängigkeit vom
Zr/Ti-Verhältnis,
unterhalb von Tc in eine
tetragonale oder eine
rhomboedrische
Modifikation
kubisch
paraelektrisch
Ferroelektrisch- rhomboedrisch
Tc Curie Temperatur
Ferroelektrisch- tetragonal
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Phasendiagramm mit
Darstellung der
ferroelektrischen Phasen,
Morphotrope
Zusammensetzungen (rote
Schraffur, symbolisch)
bestehen aus einem Gemisch
verschiedener
ferroelektrisch Phasen
(verschiedene
Lehrmeinungen:
tetragonal-rhomboedrisch,
tetragonal-monoklin)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
100
200
300
400
500
PbTiO [Mol.- %]
Te
mp
era
tur
[°C
]
FT
F (HT)R
PC
a
3PTPZ
Phasenkoexistenzbereich
(MPB)
morphotroprhomboedrisch
tetragonal
Ferroelektrische Phasen von PZT- Phasenkoexistenz
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Morphotropes PZT - Domänenstruktur
Phasenkoexistenz innerhalb der
Körner!
Abbildung der
Domänenstruktur im FESEM
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Kennwerte in
Phasenkoexistenbereich:
1 Dielektrizitätszahl e33T/e0,
2 Kopplungsfaktor kp
3 Piezokonstante d33
4 Dehnung Sm
Die Einstellung der
Kennwerte erfolgt in
erster Linie über das Zr /
Ti – Verhältnis.
Morphotropes PZT- erhöhte piezoelektrische Aktivität
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Aufbereitung von PZT KeramikRohstoffe- Hohe Reinheit ( besser 99 %)- Kritische Verunreinigungen sind z.B. Fe2O3, SiO2, Al2O3
Verglühen (Kalzinieren)- Zersetzung von Rohstoffen- Verbindungsbildung, atomare Diffusion, ca. 800 - 900 °C
Formgebung- Trockenpressen -> Formteile- Schlickergießen -> Folien 25µm ... 1mm- Extrusion -> Fasern 30 µm ... 800 µm
Sintern- Bildungs- und Zersetzungsprozesse
Metallis ieren- Siebdruck / Einbrand: Ag, Ag/Pd, Au- Sputtern Cu/Ni, Au
Polaris ieren- 2- 5 kV/mm, 20 – 130°C, 10 s bis 20 Minuten
Pb3O3 ZrO2 TiO2 Dotierung
(PbO) Substitution
Mischen
Trocknen
Verglühen Verglühen 2
Feinmahlen
Garanulieren
Formgebung
Sintern
Metallisieren
Polarisieren
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Phasenbildung, s. Grafik
Zersetzungsreaktion
900° C
Pb(Zr,Ti)O3 --> PbO+ ZrO2 + TiO2
PbO - verdampft (ohne Steuerung der Atmosphäre bei 860°C )
Methode zur Regulierung der PbO-Atmosphäre: geschlossener, gefüllter Brennraum, zusätzlich Atmosphärenscheiben aus PbZrO2 + 4% PbO
Bildungs- und Zersetzungstemperaturen
ZrO2
PbO rot
TiO2
PbO gelb
PbTiO3
Pb[Tix Ti1-x]O3
Mo
lan
teil
e
PZT
PbTiO3TiO2
ZrO2
PbO
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Beschreibung des PZT mittels allgemeiner Formel
A = Substitution auf A-PlatzB = Substitution auf B-Platze = Bleileerstellend = Sauerstoffleerstellen
Defektnotation nach Kröger-Vink
Modifikation von PZT durch Dotierung
44
43
-2
Ti zGitterplatzu Vergleich im neutral ,Feon Substituti isovalente
Ti zGitterplatzu Vergleich im negativeinfach ,Fe z.B. Akzeptor,
O Platzbesetzten demmit Vergleich imgeladen positivfach 2 ,leerstelleSauerstoff z.B. Donator,
x
Ti
Ti
O
Fe
Fe
V
de -3z1xx-1y-y-1 OB)ZrTi)(APb( z
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PbOTi, Zr
B-Platz-Dotierung
undotiertes PZT
A-Platz-Dotierung
AgPb
VO
FeTi
VO
Ladungsbilanz
2 Ag 1+ bilden 1 bzw.
1 Fe 2+ bildet 1
Akzeptor-Dotierung führt
zur Bildung von
Sauerstoffleerstellen,
Ergebnis “harte” Keramik
A Platz: Pb 2+ ersetzt durch K 1+ , Ag 1+
B Platz: Zr 4+, Ti 4+ ersetzt durch Mg 2+, Ni 2+, Fe 2+, Fe 3+, Al 3+,
In 3+ , Sc 3+
Modifikation von PZT durch Akzeptor-Dotierungniedrigere Wertigkeit auf A- bzw. B-Platz
2/,2/31y1 VO)]FeTiZrPb)[( xO-xx-xy
OV
OV
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Ladungsbilanz:
2 La 3+ ersetzen 3 Pb 2+ bzw.
2 Nb 5+ ersetzen 1 Pb 2+
+ 2 (Zr 4+, Ti 4+)
Donator-Dotierung führt zur
Bildung von Bleileerstellen
Ergebnis „weiche Keramik“
PbOTi, Zr
B-Platz-Dotierung
undotiertes PZT
A-Platz-Dotierung
LaPb
VPb
NbTi
VPb
A Platz: Pb 2+ ersetzt durch La 3+ , Bi 3+
B Platz: Zr 4+, Ti 4+ ersetzt durch Sb 5+ , Nb 5+
Modifikation von PZT durch Donator-Dotierunghöhere Wertigkeit auf A- bzw. B-Platz
31y1
||
2Pb,2/1 ]O)Tir()[V ( -xyxx/x ZNbPb
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Polarisation
E-Feldstärke
remanente
Polarisation
Koerzitiv-
feldstärke
hartes PZT
weiches PZT
harte PZT-Keramiken:
hohe Koerzitivfeldstärke, stabil
d, e, tan d „klein“,
Q „groß“
weiche PZT-Keramiken:
kleine Koerzitivfeldstärke, weniger stabil
d, e, tan d „groß“,
Q „klein“
Ferroelektrisch harte und weiche PZT-Keramiken
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Perowskitstruktur, Gitterverzerrung
Perowskit-Struktur – tolerant gegenüber Variation der chemischen Zusammensetzung und Verzerrungen durch geänderte Ionenradien (elastische Deformation).
In Abhängigkeit von der Temperatur findet man Phasenübergänge, vor allem durch:
• Ionenverschiebung in Gitterpositionen mit reduzierter Symmetrie
• Kooperative Verschiebungen der Sauersoffoktaeder als gekoppelte Verkippung oder Rotation
1
2
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Perowskitstruktur, Toleranzfaktor t
Einführung durch Goldschmidt* auf Basis einer einfachen geometrischen Betrachtung
Würfel, Kantenlänge a, für Flächendiagonale gilt:
Als Toleranzfaktor wird definiert:
Dieser ist für einen Würfel = 1
ad 2
* V. M. Goldschmidt: Die Gesetze der Krystallochemie.. In: Die Naturwissenschaften. Nr. 21, 1926, S. 477-485.
d
a
2a
dt
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Perowskitstruktur, Toleranzfaktor t
„Kugelmodell“ , Darstellung der Gitterparameter durch Ionenradien
* V. M. Goldschmidt: Die Gesetze der Krystallochemie.. In: Die Naturwissenschaften. Nr. 21, 1926, S. 477-485.
A- Platz
B- Platz
OAaOA rrrrrd 2
12
1
)(2
2
OB
OA
OB
OA
rr
rrt
rra
rrd
a
dt
d
a
OBOBO rrrrra 2
12
1)(2
)(2
00
00
rrtrr
rrrr
BA
BA
ideal
real
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Stabilitätsbereich der Perowskitstruktur, Pb – haltige Perowskite
Toleranzfaktor t
0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2
Perowskitstruktur t = [0,8…1,06]
rhomboedrisch
tetragonal
morphotrop
Muller O, Roy R (1974) The Major Ternary Structural Families. Springer-Verlag, New York
Shrout TR, Halliyal A (1987) Preparation of lead-based ferroelectric relaxors for capacitors. Am. Ceram. Soc. Bull. 66: 714–711.
Eitel RE, Randall CA, Shrout TR, Rehrig PW, HackenbergerW, Park SE (2001) New high temperature morphotropic phase boundary piezoelectrics based on Bi(Me)O3-PbTiO3
ceramics. Jpn.J. Appl. Phys., 40(Pt 1): 5999–6002.
Toleranzfaktor
beschreibt, die
Verzerrung einer
Perowskitstruktur. Er
weist auf das
Auftreten struktureller
Modifikationen der EZ
hin:
Verzerrung
Rotation
Verkippung
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[A1x1,A
2x2 ... A
KxK] (B1
y1 , B2
y2 ... BLyL) O3 Ak Bl O3
Zusammenfassung: Bedingungen für die Perowskitbildung
1,05 0,8 )( 2
6,5,4,3,2 3,2,1
1 1
6
OB
OA
BA
1l
B
1
A
1
BBA
1
A
trr
rrt
nn
yx
nynx
L
l
K
k
k
L
l
llk
K
k
kBedingung elektrische Neutralität
Bedingung Stöchiometrie
Wertigkeitsstufen
Ionenradienbedingung
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Theoretische Vorhersage verschiedener Komplexperowskite durch Smolenski,Entwicklung eine großen Vielfalt an Verbindungen
Vorhersage: Komplexperowskite durch Mischkristallbildung
[A1x1,A
2x2 ... A
KxK] (B1
y1 , B2y2 ... B
LyL) O3 Ak Bl O3
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Bleifreie Piezokeramiken
Vermeidung von Blei in elektronischen Keramiken
Das System Bismutnatriumtitanat BNT-BT
Das System Kaliumnatriumniobat KNN
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Materialverbote, Ausnahmen
RoHS – Restriction of the use of certain hazardous substances
EU Directive 2011/65/EU RoHS II
zeitlich begrenzte Ausnahmen(Annexes II und IV): Pb in Piezokeramiken und Einkristallen sowieKondensatoren
derzeitiger Stand: Ausnahmenausgelaufen Mitte 2016, keineEntscheidung über Verlängerung
Allgemein
keine Ausnahme, wenn bleifreieAlternative vorhanden (zunehmendanwendungsspezifisch)
Ausnahmen jederzeit kündbar Verlängerung nur auf Antrag durch
Industrie
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Bleifreie Piezokeramiken
Alternative piezokeramische Systeme:
Wolfram-Bronzen
Bismutschichtverbindungen
Bismutnatriumtitanate (BNT)
Kaliumnatriumniobare (KNN)
Bariumtitanate (BT)
Hauptmängel:
• zu niedrige Curie-Temperatur
• zusätzliche Phasenübergänge
• geringe piezoelektrische Aktivität
• aufwändige und teure Herstellung
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Bleifreie Piezokeramiken
Zur Zeit aussichtsreiche piezokeramische Systeme für die
Kommerzialis ierung :
Bi0,5Na0,5TiO3 – BaTiO3 Familie -> BNT-BT
K0,5Na0,5NbO3 Familie -> KNN
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BNT-BT Bi0,5Na0,5TiO3-BaTiO3-Mischsystem
Morphotrope Phasengrenze vorhanden
Zwei charakteristische Temperaturen
Depolarisationstemperatur Td
Maximumtemperatur der Dielektrizitätszahl Tm
TEinsatz < Td => piezoelektrisches Verhalten
TEinsatz < Tm => „Giant Strain“, jedoch instabil
rhomboedrisch morphotrop tatragonal
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Ferroelektrische Phasen von PZT – Phasenkoexistenz W
10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
100
200
300
400
500
PbTiO [Mol.- %]
Te
mp
era
tur
[°C
]
FT
F (HT)R
PC
a
3PTPZ
Phasenkoexistenzbereich
(MPB)
morphotrop
rhomboedrisch
tetragonal
rhomboedrisch morphotrop tatragonal
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BNT-BT Bi0,5Na0,5TiO3-BaTiO3-MischsystemPiezoelektrische Eigenschaften
Elektromechanische Kopplungsfaktoren:
kein signifikantes Maximum bei morphotroperZusammensetzung!
rhomboedrisch morphotrop tatragonal
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BNT-BT Bi0,5Na0,5TiO3-BaTiO3-Mischsystem
rhomboedrisch morphotrop tatragonal
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KNN K0,5Na0,5NbO3-System
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KNN K0,5Na0,5NbO3-System
Phasengrenze vorhanden
Positive Ergebnisse:
Toyota/Denso:
(Li,K,Na)(Nb,Ta,Sb)O3
d33= 300 pm/V
d33= 400 pm/V (texturiert)
TDK:
(Li,K,Na)(Nb,Ta)O3 + Ba(Nb,Ta)2O6+ (Mn,Zn)O
d33= 436 pm/V
Saito Y, Takao H, Tani T, Nonoyama T, Takatori K, Homma T, Nagaya T, Nakamura M
(2004) Lead free Piezoceramics. Nature 432:84–87
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KNN K0,5Na0,5NbO3-System
Saito Y, Takao H, Tani T, Nonoyama T, Takatori K, Homma T,
Nagaya T, Nakamura M (2004) Lead free Piezoceramics. Nature
432:84–87
Phasengrenze vorhanden
Positive Ergebnisse:
Toyota/Denso:
(Li,K,Na)(Nb,Ta,Sb)O3
d33= 300 pm/V
d33= 400 pm/V (texturiert)
TDK:
(Li,K,Na)(Nb,Ta)O3 + Ba(Nb,Ta)2O6+ (Mn,Zn)O
d33= 436 pm/V
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Warum Texturierung?
Domänenorientierungen im ungepolten, rhomboedrischen Kristall
Erlaubte Polarisationsrichtungen im E-Feld [oben 100, unten 110] und netto -Polarisation
E. Park et al, J Appl Phys 82 1802 (1997)
Kornorientierung - erhöht den Betrag der max.
Polarisation in Feldrichtung- Verbessert die piezoelektrischen
Eigenschaften - ausgeprägte Anisotropie
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Texturbildung
Herstellung geeigneter Template (Keime)
Anisotrope Form
Chemisch kompatibel zum Grundversatz
Einbringen in den Grundversatz und Orientierung
Geeignetes Grünformgebungsverfahren
Übertragung der Keimorientierung auf die polykristalline Matrix beim Sintern
Klärung des Wachstumsmechanismus
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Texturierung KNN K0,5Na0,5NbO3-System
Potassium-Sodium-Niobate : basic composition*:
(K0,44Na0,52Li 0,04)0,998Nb0,84Ta0,1Sb0,06O3
-> KNN
Potassium-Sodium-Niobate + Sodiumniobate (NaNbO3 ) seeds:
(K0,44Na0,52Li 0,04)0,998Nb0,84Ta0,1Sb0,06O3 + NN seeds
-> KNN - NN
* Juan Du, Jin-Feng Wang, Guo-Zhong Zang, Peng Qi, Shu-Jun Zhang, Thomas R. Shrout, “(Na0.52K0.04)Nb0.9-
xSbxTa0.1O3 Lead-Free Piezoelectric Ceramics with High Performance and High Curie Temperature”, Chin. Phys. Lett., vol.25, no. 4 (2008), p.1446
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Preparation of KNN ceramic
Dryed raw materials
Mixing
Drying
Calcination
Pressing pellets
Sintering
Electrode deposition
Na2CO3 / K2CO3 / Li2CO3/ Nb2O5 / Ta2O5 / Sb2O3
Isopropanol/6h/ZrO2 balls and bowls
Drying
800°C / 6h
10 mm diameter / 1,5mm thick
1125°C / 4h /O2 atmosphere
Electrode deposition
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Ceramic microstructure KNN
20 µm
KNN
atmosphere O2
density 4,5 g/cm3
er 1400-1500
tan δ 0,016
kp [%] 52
Ec 1,1 kV/mm
Pr 15 µC / cm2
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Preparation of NN seeds
Raw materials
Synthesis of Bi2.5Na3.5Nb5O18 –BNN5
Washing in hot water
Conversion of BNN5 to NaNbO3
(NN)
Washing in hot water
Removing of Bi2O3
Bi2O3 / Na2CO3 / NbO5 – NaCl melting agent
5Bi2O3+7Na2CO3+10Nb2O5=4Bi2.5Na3.5Nb5O18+7CO2
NaCl melt 6h/1125°C, Pt crucible
4Bi2.5Na3.5Nb5O18 + 3Na2CO3 = 20NaNbO3 + 5Bi2O3 + 3CO2
NaCl melt 6h/1125°C, Pt crucible
Reaction with diluted HNO3
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Preparation of NN seeds
Raw materials
Synthesis of Bi2.5Na3.5Nb5O18 –BNN5
Washing in hot water
Conversion of BNN5 to NaNbO3
(NN)
Washing in hot water
Removing of Bi2O3Lab technology : “kg”- scale
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Preparation of textured KNN-NN ceramics
Seed preparation
Slurry preparation:
KNN powder +NN seeds
Tape casting
Lamination
Cutting
Sintering
Green tape thickness < 50 µm, seeds aligned
1140°C / several hours / O2 atmosphere
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Preparation of textured KNN-NN ceramics
density 4,5 g/cm3
er 600 - 1000
tan d 5 %
(100) - texture
Results of XRD measurement showing clear [100] texture of the KNN-NN ceramics
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Ceramic microstructure KNN and KNN-NN
20 µm 20 µm
KNN - NNKNN
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Dehnung einer texturierten KNN-Keramik –deutliche Stabilisierung des Temperaturganges durch Textur
Ansteuerfeldstärke 2 kV/mm
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Bleifreie Piezokeramiken, aktuelle Themen
Reproduzierbare Herstellung:RohstoffeProzesstechnik
Verbesserte Kenndaten: DotierungDomänenengineeringTexturierung
Erkundung der Stabilitätsgrenzen als Funktion der Umgebungseinflüsse
Kostensenkung generell
Herstellung von Multilayer-Bauelementen (Stapelaktoren => Reduktion Ansteuerspannung)
Synthese von Dick- und Dünnschichten
KNN
BNBST 12-3
Raumtemperatur
150°C
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Seite 43
Ferroelektrische Einkristalle
Ferroelektrische Einkristalle – Warum?
Herstellung ferroelektrischer Einkristalle
Anwendungen
© Fraunhofer IKTS Seite 44
Ferroelektrische Einkristalle - Warum?Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PT (PMN-PT) Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PT (PIN-PMN-PT)
S. E. Park and T. R. Shrout, “Ultrahigh Strain and Piezoelectric Behavior in Relaxor based Ferroelectric Single Crystals,” J. Appl. Phys., 82 (1997) 1804.
Einkristalled33 > 2000 pc/N
Einkristallek33 > 90%
Ausgewählte Kennwerte signifikant erhöht
© Fraunhofer IKTS Seite 45
Ferroelektrische Einkristalle – Qualitätssprung in der medizinischen Diagnostik
Hoher Koppelfaktor erlaubt höhere Auflösung und höhere Durchdringung bei der Bildgebung
© Fraunhofer IKTS Seite 46
Ferroelektrische Einkristalle – Qualitätssprung in der medizinischen Bilderfassung
Philips iU22 ultrasound system
Ultraschallwandler mit ferroelektrischen Einkristallen als Wandlerwerkstoff
© Fraunhofer IKTS Seite 47
Herstellung ferroelektrischer Einkristalle
Abscheidung aus Hochtemperaturlösung (Flux)
Schmelzverfahren (z. B.: Bridgman)
© Fraunhofer IKTS Seite 48
Herstellung ferroelektrischer Einkristalle
Festkörper-Rekristallisation (SSCG)
© Fraunhofer IKTS Seite 49Seite 49
Weitere Anwendungen
Hochempfindliche Beschleunigsmesser X-Pod Actuators
Ungekühlte IR Detektoren Piezotransformatoren hoher Leistung, 40 W
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Seite 50
Piezoelektrische Kompositwerkstoffe
Piezokomposite, Konnektivität
Technologien
© Fraunhofer IKTS Seite 51
Piezokomposite: Verbundwerkstoffe aus Piezokeramik und Kunststoffen
0-3 1-3 2-2 2-2
PbTiO3-POLYMER PZT FIBERS IN
POLYMER
TAPE - CAST PZT
MULTILAYERCANTILEVERS
PIEZORUBBER PZT SPAGHETTI PZT ACTUATOR PZT BIMORPHS
0 (0)-3 1 (0)-3 2(0)-2-2 2-0-2
PZT HOLLOW SPHERES PZT TUBULES IN
POLYMER
CAPPED PZT
MULTILAYERSPLIT BIMORPH
BB BUCKING BALLS PZT MACARONI PZT MOONIE PZT ZIG-ZAG
Quelle : R.E. Newnham
© Fraunhofer IKTS Seite 52
Klassifizierung anhand Konnektivität
Definition
Dimensionszahl verbundener Phasen
Beispiel
Zweiphasenmaterial:
0 - 1
Dimensionszahl der Dimensionszahl der
aktiven Phase inaktiven Phase
Konnektivität für einen Komposit aus zwei Phasen
Prinzipiell existieren 16 strukturelle Verknüpfungen.
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Design
Werkstoff-auswahl
Formgebung
Sintern,Komposit
Elektroden,Packaging
Funktions-eigenschaften
HerstellungVollkeramik :
z.B. PZT 4
Piezokomposit :
1-3-Konnektivität
Volumenanteile
Stäbchenform
Stäbchengröße
Stäbchenverteilung
© Fraunhofer IKTS Seite 54
„Dice & Fill“-Prozess
- Industriell eingeführt
- Stabilität der Werkstoffe begrenzt
Strukturfeinheiten auf ca. 20 µm
- Begrenzung für Ultraschallwandler auf < 25 MHz
- Probleme:Abplatzungen und Bruch
© Fraunhofer IKTS Seite 55
„Soft Mold“-Prozess
MasterAnisotropic Silicon etching ASE
Schlicker
UrformPZT Pulver
Keramik-Grünkörper
Gesinterter Keramikkörper
weicheTransferform(Silikon)
200 µm
© Fraunhofer IKTS Seite 56
„Soft Mold“-Prozess, keramische Strukturen
© Fraunhofer IKTS Seite 57
„Arrange & Fill”-Prozess
Faserherstellung
Faserbündel
Infiltration
Kompositblock
Mechanische Bearbeitung
Wandlerelement
© Fraunhofer IKTS Seite 58
Piezokeramische Fasern durch Spinnen
organics / solvent
binder
powder
Referenz: TITK e.V., Rudolstadt
© Fraunhofer IKTS Seite 59
Piezokeramische Fasern durch Spinnen
Quelle : R.E. Newnham
gerade
Durchmesser : 250 µm
Länge : 150 mm
Keramik: kommerzielle
Werkstoffe
Piezokeramikfasern
Standardqualität
© Fraunhofer IKTS Seite 60
„Arrange & Fill”-Prozess: 1-3-Piezofaserkomposite
Elementabstand : regulär nichtregulär
© Fraunhofer IKTS Seite 61
Anwendungsbeispiele: Sensor- und Ultraschallwandlerhalbzeuge
© Fraunhofer IKTS Seite 62
Piezocomposite Actuator Concept
AFC
(Bent, Hagood, et al, 1993-2000)
MFC
(NASA, 1997-2003)
© Fraunhofer IKTS Seite 63
NASA-MFC: Fiber Sheet Manufacture
1. Ceramic wafer on
grip frame
Computer controlled dicing saw
3. Completed piezoceramic fiber sheet
2. Wafer and grip frame positioned for dicing
Diamond saw blade
(1 - 3 mil thick)
Piezoceramic wafer
(5 - 9 mil thick)
Polymer grip film
(5 mil thick)
© Fraunhofer IKTS Seite 64
NASA-MFC: Assembly Procedure
a) Preparation of bottom electrode
film with epoxy adhesive.b) Placement of fiber sheet on
electrode film.
c) Fiber sheet and electrode film
after heat tacking.
d) Removal of polymer carrier film
from transferred piezoceramic fibers.
Macro-Fiber Composite (MFC) Actuator
© Fraunhofer IKTS Seite 66
Literatur zur Vertiefung
Heywang, Lubitz, Wersing: Piezoelectricity – Evolution and Future of a Technology, Springer Series in Material Science 114, ISBN 978-3-540-68680-4
Safari, Akdogan: Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications , Springer (2008), ISBN 978-0-378-76538-9
Single-Crystal Piezoelectrics
material K3T (1kHz) k33 d33, pm/V d31, pm/V , g/cm
3 s33
E † s11
E s13
E s44
E
PZT-5A 1900 0.72 390 -190 7.8 18.8 16.4 -7.22 47.5
PZT-5H 3800 0.75 650 -320 7.8 20.7 16.5 -9.1 43.5
PMN-PT 7151 0.91 2285 -1063 8.05 86.5 59.7 -45.3 14.4 †elastic constants, s, 10
-12 m
2/N
MFC Piezoelectric Materials: Bulk Properties
(Refs.: Jaffe, Cook, Jaffe; CTS Wireless; Morgan-Matroc, TRS)
property dimension
Package active area width, wmfc 20 mm
Package active area length, lmfc 20 mm
Package maximum thickness, tmfc 290 m
Piezoelectric fiber thickness, tf 175 m
Piezoelectric fiber width, wf 350 m
Piezoelectric fiber spacing, kf 60 m
Interdigitated electrode gap, center-to-center, pe 530 m
Interdigitated electrode finger width, we 100 m
Interdigitated electrode thickness, tc 17.5 m
Electrode laminate acrylic adhesive thickness, ta 12.5 m
Polyimide outer electrode film thickness, tp 25 m
MFC Specimen Geometry