Electrical cycling and failure analysis of a lead-free piezoceramic

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Piezokeramiken sind Materialien mit herausragenden piezoelektrischen Eigenschaften, welche aufgrund ihres keramischen Ursprungs durch etablierte keramische Herstellungs-prozesse auch als Vielschichtbauteile gefertigt werden können. Dadurch ermöglichen sie den wirtschaftlichen Einsatz von Piezobauteilen in vielen Bereichen der Sensorik, wie zum Beispiel für Ultraschallsensoren, aber auch in Bereichen der Aktorik, wie bei Einspritzdüsen von Kraftfahrzeugen. Bleihaltige Keramiken - meist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) -, welche sich aufgrund deren Eigenschaften besonders gut eignen, stellen gemäß einer EU-Richtlinie (RoHS-Verordnung) ein Risiko für die Gesundheit und die Umwelt dar und sind bereits nur noch eingeschränkt im Elektro- und Elektronikbereich einsetzbar. Als möglicher Ersatz könnte Kalium-Natrium-Niobat (KNN) dienen, hierbei sind jedoch noch neben der Optimierung der piezoelektrischen Eigenschaften auch die Herausforderungen des Herstellungsprozesses, welche beispielsweise das metall-keramische Ko-Sintern umfassen, zu bewältigen. Für einen industriellen Einsatz wird zusätzlich Langlebigkeit und Zyklen-Stabilität gefordert, weshalb sich diese Arbeit mit der Entwicklung eines Setups zu deren Charakterisierung beschäftigt. Im Zuge dessen wurde ein Aufbau zur zyklischen Belastung und Überwachung des Materialzustandes entwickelt, der für Prüfzeiträume von mehreren Wochen ausgelegt ist. Piezokeramische Materialien werden unter anderem durch deren hohen Isolationswiderstand charakterisiert. Eine Degradation des Materials kann zu einer Reduktion des elektrischen Widerstands und in weiterer Folge zum Versagen durch lokale elektrische Durchbrüche innerhalb der Komponente führen, weshalb diese Eigenschaft zur Bestimmung des Materialzustandes gewählt wurde. Zur Untersuchung degradierter Bauteile wurde die Infrarot-Thermographie herangezogen. Durch Verwendung der Lock-In Methode konnte die Lokalisierung von Durchbruchspfaden ermöglicht werden, welche einen Leistungsumsatz im Milliwatt-Bereich und damit Temperaturschwankungen im Bereich von wenigen Millikelvin aufweisen. Dies wurde anhand einer Probe, welche im Zuge des Belastungstests eine lokale Degradation aufwies, exemplarisch gezeigt. Bei der weiteren Untersuchung konnte eine leichte Nichtlinearität des Widerstandsverhaltens im untersuchten Spannungsbereich ermittelt werden.

Details

Titel in ÜbersetzungElektrische Zyklenbelastung und Fehleranalyse einer bleifreien Piezokeramik
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung18 Okt. 2024
StatusVeröffentlicht - 2024