TY - BOOK

T1 - Ermittlung der elektro-mechanischen Eigenschaften von piezoelektrischen Vielschichtaktoren

AU - Grünbichler, Hannes

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - In den letzten Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, um das komplizierte elektro-mechanische Werkstoffverhalten unter Berücksichtigung von Nichtlinearitäten und Temperaturabhängigkeiten von piezoelektrischen Vielschichtaktoren zu beschreiben.Diese Arbeit trägt ihren Teil dazu bei.Durch zahlreiche Experimente konnte vom Verfasser ein umfassendes Bild zu, den Schädigungsmechanismen im Betrieb und die damit funktionale und strukturelle Integrität zusammengetragen werden. Es kann beobachtet werden, dass Ausfälle der Bauteile immer dann auftreten, wenn es zu elektrischen Durchbrüchen kommt, weil das Bauteil damit leitend wird und sein Hubverhalten reduziert wird. Solche Kurzschlüsse kann es an der Oberfläche geben, aber auch im Inneren der Stapelaktoren geben. Während Kurzschlüsse an der Oberfläche meist von durch Abbau der außen angebrachten Isolationsschicht verursacht werden, werden die Material¬durchbrüche im Inneren entweder durch Risse in der Aktivzone oder durch Bildung leitfähiger Pfade in Degradationszonen verursacht. Rein phänomenologisch konnte dieses Schadensbild beschrieben werden. Es hat sich immer mehr angedeutet, dass die Rissentstehung beim Polen der Bauteile kritisch zu betrachten ist.Im Betrieb wird das Verhalten von Stapelaktoren vom nichtlinearen ferroelektrischen Effekt dominiert. Dieser ist dabei immer wieder einer starken elektrischen Feldstärke als treibende Kraft für Domänenumschaltprozesse ausgesetzt. Wenn andererseits kein externes elektrisches Feld angelegt wird, wird sein Verhalten vom ferroelastischen Effekt (der Relaxation von Domänen) dominiert. Für Anwendungszwecke ist eine detaillierte Kenntnis der gekoppelten Phänomene zwischen den Feldgrößen mechanischer Spannung und elektrischem Feld unbedingt erforderlich, um die aktorische Performanz zu steigern (i.e. das Erreichen hoher Dehnungen infolge von Domänenbewegungen bei Vorhandensein von Druckspannungs-feldern). Ihre Funktionalität hängt mit den Belastungsbedingungen sowie mit dem Aktordesign und der elektromechanischen Zuverlässigkeit im Betrieb zusammen.Die Rissinitiierung und das Risswachstum bzw. die Rolle Domänen in der Prozesszone wird bereits besser verstanden. Dafür ist dieses Simulationswerkzeug essenziell. Es zeigt sich, dass der Polungsprozess die Ursache für die Rissentstehung der Bauteile ist. Für das Rissmanagement und Erhöhung der Bauteilzuverlässigkeit sind eine Änderung der Aktordesigns und/oder eine Reduktion der bei der Polung entstehenden Zugspannungsfelder dabei ganz wesentlich. Die Wahl der Klemmkräfte darf aber die aktorische Performanz nicht beeinträchtigen. Die experimentelle Messung der aktorischen Performanz ist mit dem Aktor-Messplatz möglich und damit gelingt die zusammen mit dem FEA-tool die Auslegung von Aktor der neuen Generation.

AB - In den letzten Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, um das komplizierte elektro-mechanische Werkstoffverhalten unter Berücksichtigung von Nichtlinearitäten und Temperaturabhängigkeiten von piezoelektrischen Vielschichtaktoren zu beschreiben.Diese Arbeit trägt ihren Teil dazu bei.Durch zahlreiche Experimente konnte vom Verfasser ein umfassendes Bild zu, den Schädigungsmechanismen im Betrieb und die damit funktionale und strukturelle Integrität zusammengetragen werden. Es kann beobachtet werden, dass Ausfälle der Bauteile immer dann auftreten, wenn es zu elektrischen Durchbrüchen kommt, weil das Bauteil damit leitend wird und sein Hubverhalten reduziert wird. Solche Kurzschlüsse kann es an der Oberfläche geben, aber auch im Inneren der Stapelaktoren geben. Während Kurzschlüsse an der Oberfläche meist von durch Abbau der außen angebrachten Isolationsschicht verursacht werden, werden die Material¬durchbrüche im Inneren entweder durch Risse in der Aktivzone oder durch Bildung leitfähiger Pfade in Degradationszonen verursacht. Rein phänomenologisch konnte dieses Schadensbild beschrieben werden. Es hat sich immer mehr angedeutet, dass die Rissentstehung beim Polen der Bauteile kritisch zu betrachten ist.Im Betrieb wird das Verhalten von Stapelaktoren vom nichtlinearen ferroelektrischen Effekt dominiert. Dieser ist dabei immer wieder einer starken elektrischen Feldstärke als treibende Kraft für Domänenumschaltprozesse ausgesetzt. Wenn andererseits kein externes elektrisches Feld angelegt wird, wird sein Verhalten vom ferroelastischen Effekt (der Relaxation von Domänen) dominiert. Für Anwendungszwecke ist eine detaillierte Kenntnis der gekoppelten Phänomene zwischen den Feldgrößen mechanischer Spannung und elektrischem Feld unbedingt erforderlich, um die aktorische Performanz zu steigern (i.e. das Erreichen hoher Dehnungen infolge von Domänenbewegungen bei Vorhandensein von Druckspannungs-feldern). Ihre Funktionalität hängt mit den Belastungsbedingungen sowie mit dem Aktordesign und der elektromechanischen Zuverlässigkeit im Betrieb zusammen.Die Rissinitiierung und das Risswachstum bzw. die Rolle Domänen in der Prozesszone wird bereits besser verstanden. Dafür ist dieses Simulationswerkzeug essenziell. Es zeigt sich, dass der Polungsprozess die Ursache für die Rissentstehung der Bauteile ist. Für das Rissmanagement und Erhöhung der Bauteilzuverlässigkeit sind eine Änderung der Aktordesigns und/oder eine Reduktion der bei der Polung entstehenden Zugspannungsfelder dabei ganz wesentlich. Die Wahl der Klemmkräfte darf aber die aktorische Performanz nicht beeinträchtigen. Die experimentelle Messung der aktorischen Performanz ist mit dem Aktor-Messplatz möglich und damit gelingt die zusammen mit dem FEA-tool die Auslegung von Aktor der neuen Generation.

KW - Piezoelektrischer Vielschichtaktor

KW - Elektromechanisches Verhalten

M3 - Dissertation

ER -