Werkstoffe auf Basis von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) sind momentan die wichtigsten Vertreter der Piezokeramiken und werden in einer Vielzahl von Anwendungen wie Aktoren, Sensoren und Wandler kommerziell eingesetzt. Seit Beginn der 1990-iger Jahre gibt es getrieben durch ein wachsendes Umweltbewusstsein international verstärkte Anstrengungen, das PZT durch bleioxidfreie Alternativen zu ersetzen. Die intensive Suche nach alternativen Werkstoffen auf dem Gebiet der Piezokeramiken spiegelt sich in der großen Anzahl von Publikationen in den letzten Jahren wider. Als besonders aussichtsreiche Kandidaten stellten sich dabei Zusammensetzungen basierend auf Kalium-Natrium-Niobat (KNN) heraus.
In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur Herstellung von modifizierten KNN-Keramiken durchgeführt mit dem Ziel, diese Werkstoffe für das IKTS zu er-schließen. Dabei ging es um die Erarbeitung einer Synthese- und Verarbeitungstechnologie, mit deren Hilfe Keramiken mit reproduzierbaren Eigenschaften herstellbar sind, die dem Stand der Technik entsprechen.
Inhaltsverzeichnis
- Kurzbeschreibung
- Einleitung und Motivation
- Theoretische Grundlagen
- Piezo-, Pyro- und Ferroelektrizität
- Perowskitstruktur
- Domänenkonfiguration und Polarisation
- Dielektrische und elektromechanische Klein- und Großsignaleigenschaften
- Stand der Technik
- Experimentelles
- Herstellung von KNN
- Sinterung
- Kontaktierung und Polung
- Kleinsignalmessung
- Temperaturabhängige Kapazitätsmessung
- Gefügeanalyse mittels Feldemissions-Rasterelektronen-Mikroskop (FESEM)
- Phasenanalyse mittels Röntgenbeugung (XRD)
- Dehnungsmessung
- Hysteresemessung
- Ergebnisse und Auswertung
- Voruntersuchungen
- Variante 1
- Variante 2
- Variante 3
- Variante 4
- Variante 5
- Variante 6
- Diskussion
- Zusammenfassung
- Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Diplomarbeit untersucht die Herstellung bleioxidfreier Piezokeramiken im System Kalium-Natrium-Niobat (KNN) mit dem Ziel, eine reproduzierbare Synthese- und Verarbeitungstechnologie für das Fraunhofer Institut für Technische Keramiken und Systeme (IKTS) zu entwickeln. Die Arbeit konzentriert sich auf die Optimierung verschiedener technologischer Parameter, um die Eigenschaften der hergestellten Keramiken dem Stand der Technik anzupassen.
- Entwicklung einer reproduzierbaren Herstellungsmethode für KNN-Keramiken
- Optimierung der Homogenisierung, Mahl- und Mischprozesse der Rohstoffe
- Untersuchung des Einflusses von Calcinations- und Sinterbedingungen auf die Eigenschaften der Keramiken
- Analyse der Auswirkungen chemischer Modifikationen (Lithium, Tantal, Antimon) auf die piezoelektrischen Eigenschaften
- Vergleich verschiedener Sintermethoden (Luft, Sauerstoff, Spark Plasma Sintering)
Zusammenfassung der Kapitel
Kurzbeschreibung: Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung bleioxidfreier Piezokeramiken auf Basis von Kalium-Natrium-Niobat (KNN) als umweltfreundliche Alternative zu bleihaltigen Piezokeramiken. Es werden verschiedene Synthese- und Verarbeitungsparameter untersucht, um reproduzierbare Keramiken mit Eigenschaften zu erzeugen, die dem Stand der Technik entsprechen. Die Arbeit konzentriert sich auf die Optimierung der Homogenisierung, der Mahl- und Mischprozesse sowie der Calcinations- und Sinterbedingungen.
Einleitung und Motivation: Die Einleitung begründet die Notwendigkeit der Entwicklung bleioxidfreier Piezokeramiken aufgrund von Umweltaspekten und beschreibt den Fokus der Arbeit auf KNN-basierte Materialien. Es wird die Bedeutung der Entwicklung einer reproduzierbaren und effizienten Herstellungsmethode hervorgehoben, um die Eignung für industrielle Anwendungen zu gewährleisten. Die Motivation für die Arbeit liegt in der Erschließung neuer, umweltfreundlicher Technologien im Bereich der Piezokeramik.
Theoretische Grundlagen: Dieses Kapitel liefert den theoretischen Hintergrund zum Verständnis der piezoelektrischen, pyroelektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften von Materialien. Es beschreibt die Perowskitstruktur von KNN und den Einfluss von Domänenkonfigurationen auf die Polarisation. Die Kapitel beleuchtet die dielektrischen und elektromechanischen Eigenschaften von KNN sowohl im Klein- als auch im Großsignalbereich, sowie den aktuellen Stand der Technik bei der chemischen Modifikation und Herstellung von KNN-Keramiken, inklusive dem Spark Plasma Sintering (SPS) Verfahren.
Experimentelles: In diesem Kapitel werden die experimentellen Methoden zur Herstellung, Sinterung, Kontaktierung und Polung der KNN-Keramiken detailliert beschrieben. Es werden verschiedene Varianten der Herstellung von KNN-Pulvern vorgestellt, die sich in der Art der Homogenisierung, Mahl- und Mischverfahren sowie den Calcinationsbedingungen unterscheiden. Weiterhin werden die verschiedenen Sinterverfahren (Luftsintern, Sauerstoffsintern, SPS) und die Methoden der Charakterisierung der hergestellten Keramiken erläutert (z.B. Kleinsignalmessung, Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie).
Ergebnisse und Auswertung: Dieses Kapitel präsentiert die Ergebnisse der Untersuchungen zu den verschiedenen Herstellungsvarianten. Es werden die Auswirkungen der unterschiedlichen Parameter (z.B. Sinteratmosphäre, Sintertemperatur, Homogenisierungsmethode) auf die Dichte, die dielektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften der hergestellten KNN-Keramiken detailliert diskutiert. Die erzielten Ergebnisse werden in Tabellen und Grafiken dargestellt und mit Literaturwerten verglichen.
Diskussion: In diesem Kapitel werden die in Kapitel 4 präsentierten Ergebnisse umfassend diskutiert. Die Zusammenhänge zwischen den eingesetzten Herstellungsmethoden und den resultierenden Materialeigenschaften werden analysiert. Es wird der Einfluss verschiedener Parameter auf die Qualität und die piezoelektrischen Eigenschaften der Keramiken beleuchtet. Die Ergebnisse werden im Kontext des Standes der Technik eingeordnet und mögliche Verbesserungen der Herstellungsverfahren werden diskutiert.
Schlüsselwörter
Piezokeramik, Kalium-Natrium-Niobat (KNN), bleifrei, Modifikation, Sinterung, Spark Plasma Sintering (SPS), Dielektrizitätszahl, piezoelektrische Eigenschaften, Homogenisierung, Materialcharakterisierung.
Häufig gestellte Fragen zur Diplomarbeit: Bleifreie Piezokeramiken auf Basis von Kalium-Natrium-Niobat (KNN)
Was ist das Thema der Diplomarbeit?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung einer reproduzierbaren Herstellungs- und Verarbeitungstechnologie für bleifreie Piezokeramiken im System Kalium-Natrium-Niobat (KNN). Ziel ist die Optimierung verschiedener technologischer Parameter, um die Eigenschaften der hergestellten Keramiken dem Stand der Technik anzugleichen und eine umweltfreundliche Alternative zu bleihaltigen Piezokeramiken zu schaffen.
Welche Ziele werden in der Arbeit verfolgt?
Die Hauptziele sind die Entwicklung einer reproduzierbaren Herstellungsmethode für KNN-Keramiken, die Optimierung der Homogenisierung, Mahl- und Mischprozesse der Rohstoffe, die Untersuchung des Einflusses von Calcinations- und Sinterbedingungen auf die Keramikeigenschaften, die Analyse der Auswirkungen chemischer Modifikationen (Lithium, Tantal, Antimon) und der Vergleich verschiedener Sintermethoden (Luft, Sauerstoff, Spark Plasma Sintering).
Welche theoretischen Grundlagen werden behandelt?
Die Arbeit erläutert die piezoelektrischen, pyroelektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften von Materialien, die Perowskitstruktur von KNN, den Einfluss von Domänenkonfigurationen auf die Polarisation und die dielektrischen und elektromechanischen Eigenschaften von KNN im Klein- und Großsignalbereich. Der aktuelle Stand der Technik in der chemischen Modifikation und Herstellung von KNN-Keramiken, inklusive dem Spark Plasma Sintering (SPS) Verfahren, wird ebenfalls beleuchtet.
Welche experimentellen Methoden wurden eingesetzt?
Die Arbeit beschreibt detailliert die experimentellen Methoden zur Herstellung, Sinterung, Kontaktierung und Polung der KNN-Keramiken. Es werden verschiedene Varianten der Herstellung von KNN-Pulvern, unterschiedliche Sinterverfahren (Luftsintern, Sauerstoffsintern, SPS) und Methoden zur Charakterisierung (Kleinsignalmessung, Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie) vorgestellt.
Wie werden die Ergebnisse dargestellt und ausgewertet?
Die Ergebnisse der Untersuchungen zu den verschiedenen Herstellungsvarianten werden detailliert präsentiert und diskutiert. Der Einfluss unterschiedlicher Parameter (Sinteratmosphäre, Sintertemperatur, Homogenisierungsmethode) auf Dichte, dielektrische und piezoelektrische Eigenschaften wird analysiert. Die erzielten Ergebnisse werden in Tabellen und Grafiken dargestellt und mit Literaturwerten verglichen.
Was sind die wichtigsten Ergebnisse und Schlussfolgerungen?
Die Arbeit diskutiert die Zusammenhänge zwischen den eingesetzten Herstellungsmethoden und den resultierenden Materialeigenschaften. Der Einfluss verschiedener Parameter auf die Qualität und die piezoelektrischen Eigenschaften wird beleuchtet. Die Ergebnisse werden im Kontext des Standes der Technik eingeordnet und mögliche Verbesserungen der Herstellungsverfahren diskutiert. Die genauen Ergebnisse sind im Kapitel "Ergebnisse und Auswertung" detailliert beschrieben.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit am besten?
Piezokeramik, Kalium-Natrium-Niobat (KNN), bleifrei, Modifikation, Sinterung, Spark Plasma Sintering (SPS), Dielektrizitätszahl, piezoelektrische Eigenschaften, Homogenisierung, Materialcharakterisierung.
Welche Kapitel enthält die Arbeit?
Die Arbeit beinhaltet eine Kurzbeschreibung, Einleitung und Motivation, Theoretische Grundlagen, Experimentelles, Ergebnisse und Auswertung, Diskussion, Zusammenfassung und Ausblick. Ein detailliertes Inhaltsverzeichnis findet sich im Dokument.
- Quote paper
- Maik Scholz (Author), 2010, Herstellung und Charakterisierung bleioxidfreier Piezokeramiken im System Kalium-Natrium-Niobat (KNN), Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/323787
