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Ceramics II 5. Pietzoelektrika 1 Piezoelektrika Mit Piezoelektrizität (griechisch: Druckelektrizität) wird die Eigenschaft eines Werkstoffs bezeichnet,

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Präsentation zum Thema: "Ceramics II 5. Pietzoelektrika 1 Piezoelektrika Mit Piezoelektrizität (griechisch: Druckelektrizität) wird die Eigenschaft eines Werkstoffs bezeichnet,"—  Präsentation transkript:

1 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 1 Piezoelektrika Mit Piezoelektrizität (griechisch: Druckelektrizität) wird die Eigenschaft eines Werkstoffs bezeichnet, welcher elektrische Ladung an seiner Oberfläche zeigt, wenn mechanische Spannung auf ihn einwirkt oder umgekehrt ein Werkstück seine äusseren Abmessungen ändert, wenn an ihn ein elektrisches Feld angelegt wird. Wenn Zug oder Druck auf Quarz oder Turmalin einwirkt, treten Ladungen an den Oberflächen der Proben auf.

2 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 2 Polarisation durch mechanische Deformation eines Quarzkristalls. Wird Druck auf den Kristall ausgeübt, so werden die beiden Elektroden elektrisch aufgeladen. U

3 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 3 Piezoelektrika-3 Der piezoelektrische Effekt kann grundsätzlich nur in nichtzentrosymmetrischen Kristallklassen auftreten, da ein zentrosymmetrischer Kristall auch nach seiner Deformation zentrosymmetrisch bleibt und deshalb keine polare Richtung besitzen kann. Der Pietzoeffekt kann auftreten in: unpolaren (Quarz-SiO 2 ) Kristallen polaren Kristallen (Turmalin) polaren Keramiken (Ferroelektrika).

4 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 4 Direkter piezoelektrischer Effekt mechanische Deformation eines piezoelektrischen Körpers einer zu ihr proportionalen Änderung der elektrischen Polarisation : Dann linearer Effekt: E = d× x/xoderU = d× x d ist der piezoelektrische Koeffizient. Dies zeigen alle nicht-ferroelektrischen Piezowerkstoffe, also z. B. : unpolare Kristallen (Quarz-SiO 2 ) polaren Kristallen (Turmalin)

5 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 5 Ferroelektrische Piezowerkstoffe Einen nichtlinearen Effekt beobachtet man bei der ferroelektrischen Piezokeramik (Ferroelektrika). Die Spannung beschreibt eine Hysterese gegenüber der Deformation.

6 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 6 piezoelektrische Effekt

7 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 7 Beispiele von vier Arten des direkten piezoelektrischen Effektes In der praktischen Anwendung ist man bestrebt, solche Richtungen auszuwählen, in denen maximale Effekte auftreten. Sensoranordnungen werden so ausgelegt, dass im piezoelektrischen Material mechanische Spannungen und elektrische Felder parallel oder senkrecht zur Anisotropieachse (Achse 3) auftreten. Unter diesen Voraussetzungen kann man nur drei Hauptlagen unterscheiden

8 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 8 Mechanische Deformation ge-polter piezoelektrischer Platten durch ein elektrisches Feld

9 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 9 Wandlungsgrad Der Wandlungsgrad gibt an, welcher Anteil der insgesamt zugeführten Energie in gewandelter Form verfügbar ist. Die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie kann anhand eines Kreisprozesses bestimmt werden. Dies ergibt: k 2 = umgewandelte Energie / Energieinput Der Ausdruck k 2 wird allgemein als piezoelektrischer Kopplungsfaktor bezeichnet.

10 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 10 Die Werkstoffe PZT: PbTiO 3 -PbZrO 3

11 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 11 Die Werkstoffe Lead Magnesium Niobate (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, PMN): Relaxor ferroelectrics are a class of lead based perovskite type compounds with the general formula Pb(B1,B2)O3 where B1 is a lower valency cation (like Mg2+, Zn2+, Ni2+, Fe3+) and B2 is a higher valency cation (like Nb5+, Ta5+, W5+). Pure lead magnesium niobate (PMN or Pb(Mg1/3Nb2/3)O3) is a representative of this class of materials with a Curie point at -10° C. Relaxor ferroelectrics like PMN can be distinguished from normal ferroelectrics such as BaTiO3 and PZT, by the presence of a broad diffused and dispersive phase transition on cooling below the Curie point.

12 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 12 PMN-PT The addition of PT, which has a Curie point of 490 o C, shifts the Tc of the composition towards higher temperatures. The morphotropic phase boundary composition (0.65 PMN and 0.35 PT) is piezoelectric in nature. Ceramics with this composition are excellent candidates for piezoelectric transducers. Compositions with a Curie point near room temperature (like 0.95 PMN and 0.10 PT) have very large dielectric constants (er > 20,000) which makes them very attractive for multilayer capacitor and strain actuator applications.

13 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 13 Polung Um einer ferroelektrischen Keramik piezoelektrische Eigenschaften aufzuzwingen, muss man zur Erzeugung einer remanenten Polarisation ein elektrisches Feld anlegen

14 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 14 Verhalten der Piezokeramik bei mechanischer Belastung

15 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 15 piezoelektrischer Funkengenerator

16 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 16 Klopfsensor und Piezodrucktaste

17 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 17 Ultraschallwandler mit zwei-stufiger Resonanztransformation: Schnittbild und Richtcharakteristik

18 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 18 Transformator

19 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 19 Sensoren und deren Frequenzbereich

20 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 20 Cantilever bimorphs with (a) a series connection and (b) parallel connection of beams

21 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 21 Piezokeramik als elektromechanischer Wandler Vielschichtaktor Einspritzpumpe Abstandskontrolle Echolot

22 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 22 Schematics of printing pin elements

23 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 23 Kondensator: Aufbau

24 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 24 Kondensator: Herstelltechnologie

25 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 25 Piezokeramik: Anwendungen

26 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 26 Applications of Piezo Actuators and PZT NanoPositioning Systems Design of Simple Lever Amplifier Design of PZT Stack Actuator Capacitive Position Sensors with Control Module Microwave Dielectrics

27 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 27 PZT Ink Jet Printer Head

28 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 28 MicroPositioners: Actuators, Translation & Rotation Stages F-206 6D-Parallel-Kinematics Alignment System with optional NanoCube NanoAlignment System F-110 XYZ Fiber Positioning System Micropositioning Systems PZT Active Optics (Piezoelectric Tilting Platforms) Piezoelectric Translators (PZTs)

29 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 29 WWW Links Piezoelectricity and Pyroelectricity Database Applications of Ferroelectric Ceramic Materials "Piezo University" by Physik Instrumente (PI), Germany Ferroelectricity Newsletter CeramTec Piezoceramics (very good introduction) Open Directory Companies/Manufacturer_of_Piezomaterials/ Companies/Manufacturer_of_Piezomaterials/

30 Ceramics II 5. Pietzoelektrika 30 Zusammenfassung piezoelektrischer Effekt Der piezoelektrische Effekt tritt in Werkstoffen mit nichtzentrosymmetrischen Kristallklassen auf. Bei mechanischen Spannungen werden Ladungen an der Oberfläche der Kristalle erzeugt und umgekehrt, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, werden diese Kristalle deformiert. Der piezoelektrische Kopplungsfaktor k2 gibt den Wandlungsgrad (Verhältnis zwischen zugeführter Energie und umgewandelter Energie) bei einem piezoelektrischen Kreisprozess an. Als keramische Piezowerkstoffe werden modifizierte PZT-Keramiken eingesetzt. Durch Substitutionen und Dotierungen lassen sich ihre Eigenschaften optimieren. Man unterscheidet dabei Härter, die die Polarisierbarkeit erschweren, Weichmacher, welche die Keramik leichter polarisierbar machen und Stabilisatoren, welche die Langzeitstabilität erhöhen.


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