Azamat Kuvatov

Polungs- und Biegeverhalten von Ba(Ti,Sn)O3: Keramiken mit einem Funktionsgradienten

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 25.04.2005

Abstract
In dieser Arbeit wurde die Möglichkeit der Anwendung der Keramischen Materialien mit einem Funktionsgradienten (engl. Functionally graded materials - (FGM)) für so genannten Biegeaktuatoren betrachtet. Keramischen Materialien mit einem Funktionsgradienten sind monolithische Werkstoffe mit in einer oder mehreren Richtungen veränderten Eigenschaft. Die in dieser Arbeit untersuchten Keramiken haben einen eindimensionalen Gradient der chemischen Zusammensetzung in Richtung der Probendicke. Die Variieren der chemischen Zusammensetzung in der Gradientenmaterialien führt zur inhomogen Verteilung der dielektrische, piezoelektrischen, elastische Eigenschaften.
Die Herstellung der Biegeaktuatoren aus Gradientenmaterialien hat viele Vorteile. Auf eine Seite in solche Materialien gibt es keine Kleberschichten oder inneren Elektroden. Auf andere Seite die Übergang zwischen die Bereiche mit unterschiedlichen dielektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften bei den Gradientenmaterialien ist fließend. Bei der Untersuchung wurde die monolithische Ba(Ti,Sn)O3 - Keramik mit inhomogener chemischer Zusammensetzung verwendet. Die Eigenschaften dieser Keramik sind stark vom Zinngehalt abhängig. Generell, wurden es Proben aus 2, 3, 4 Schichten mit unterschiedlichem Zinngehalt hergestellt.
Generell wurde bewiesen, dass es möglich ist, monolithische Keramiken mit einem chemischen Gradienten zu polen und den dadurch entstandenen Funktionsgradienten für die Anwendung als Biegeaktuator zu nutzen. Im Idealfall wird der Aktuator mit linearem Gradient sogar ein nahezu spannungsfreies Biegungsverhalten zeigen.
Es führt zur Schlussfolgerung, dass die Aktuatoren mit guten Biegeeigenschaften nicht unbedingt aus ferroelektrischen Werkstoffen mit möglichst maximalen piezoelektrischen Eigenschaften (z.B. PZT, PMN) hergestellt werden müssen, sondern auch Keramiken oder Keramiksysteme mit geringeren piezoelektrische Eigenschaften (wie das Ba(Ti,Sn)O3-System) verwendet werden können. Ein weiterer Vorteil, dass es dadurch relativ einfach sein sollte, bleihaltige Hochleistungskeramiken durch umweltverträglichere bleifreie Materialien zu ersetzen.

In this work the possibility of the application of the ceramic Functionally Gradient Materials (FGM) for bending actuators was investigated. These materials are monolithic ceramics with continuously varying properties, along one or several direction of its dimensions. In our case we have the one-dimensional gradient of the dielectric and piezoelectric properties across the thickness. In the field of applications of piezoelectric materials properties, functional gradient materials are suitable for bending devices due to reduced internal mechanical stresses and lower production costs.
As a model system with well-defined electromechanical and dielectric properties of the homogeneous components the solid solution of Ba(Ti,Sn)O3 was chosen. The FGMs approximated by a layered system with a one-dimensional gradient of the Sn-content were prepared both by successive uniaxial powder pressing and by tape casting with the doctor blade method. In this system the chemical gradient can be transformed into a gradient of the piezoelectric properties by a poling process. On the other hand materials based on PZT are still mostly used for actuator applications because of their excellent electromechanical properties. But, they have to be replaced by lead-free materials in the next future due to their contaminating influence on the environment. That is another reason why we have chosen the lead-free solid solution Ba(Ti,Sn)O3.
This work reports both on preparation, poling, characterisation of FGM actuators, and on the description of suitable models of the poling and the bending processes. The measurements coincide very well with the theory both for the poling process and for the small-signal region of the bending deflection. The large-signal bending deflection of the monolithic, FGM bending devices is nearly the same as for the conventional glued bimorph. The investigation shows also that the internal mechanical stresses are strongly reduced and vanish for a linear gradient of the piezoelectric coefficients. Hence, monolithic FGM ceramics have the potential to replace conventional bimorphs due to their advantages in production, reliability and life time.

Keywords:
Bariumtitanatstannat-Keramik, Gradientenmaterialien, monolithische Funktionsgradienten Keramik, Biegeaktuator, Aktuator, mechanische Spannung, Polarisation, Polungsveralten, Biegeverhalten, Leitfähigkeit, Auslenkung, Lebenszeit, Zuverlässigkeit

Barium Titanate - Stannate Ceramics, Functional Gradient Materials, Bending Actuator, Poling Behaviour, Bending Behaviour, Bimorph, Trimorph, Conductivity, Polarisation, Displacement, Strain, Mechanical Stress, Lifetime, Reliability

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis (1, I-VI)
Einführung (1-2)
1. Grundlagen (3-20)
2. Das Polungsverhalten von Gradientenmaterialien (21-50)
3. Biegeverhalten von Gradientenmaterialien (51-86)
4. Optimierung und Ausblick (87-90)
Zusammenfassung (91-92)
Literaturverzeichnis (93-97)