Multiskalen-Domänenanalyse in kommerziellen Piezokeramiken für Aktorik

Die Performance und die Zuverlässigkeit von piezoelektrischen Vielschichtaktoren (i.e. multilayer piezoelectric actuators: MPA) für Einspritzsysteme in modernen Automobilanwendungen ist eine wesentliche Voraussetzung für die Produktion von hocheffizienten Motoren mit niedrigem Kraftstoffverbrauch. Diese Bauteile sind aus Metall- Keramik Vielschicht-Verbunden aufgebaut, um den piezoelektrischen Aktoreffekt zu maximieren. Nach Ausrichtung von ferroelektrischen Domänen wird der Aktoreffekt durch zusätzlich Domänenbewegung in einem elektrischen oder mechanischen Feld verstärkt (ferroelektrische bzw. ferroelastische Umklappprozesse). MPAs haben jedoch Einschränkungen in der Zuverlässigkeit. (i) Mechanische Spannungen entstehen am Übergang zwischen den aktiven (d.h. dehnbaren) und passiven (d.h. nicht dehnbaren) Zonen. (ii) Risse bilden sich während des Polungsprozesses. Die Überlagerung von verschiedenen zyklischen Belastungen (elektrisch, mechanisch und thermisch) führt zu eine Verminderung der maximal möglichen Gesamtdehnung des Bauteils, und verschlechtert damit die Performance sowie die Lebensdauer. Obwohl äußere mechanische und thermische Belastungen die bereits eingestellte Domänenorientierung stören, können die Umklappprozesse vor der Rissspitze zu einer Zähigkeitssteigerung - und damit zu einer höheren Lebensdauer - führen. Zusätzlich kann man durch die bewusste Einstellung der Domänen-Orientierungen die Gesamt-Performance des Bauteils verbessern (ad-hoc domain engineering). Dafür ist es notwendig, die Domänenstruktur in verschiedenen Bereichen des Verbundwerkstoffs als auch auf mehreren Größen-Skalen im Detail zu untersuchen. Makro-Analysen liefern Angaben über den Zusammenhang zwischen Domänen und Gesamt-Materialeigenschaften, welche von der durchschnittlichen Gitterverzerrung abhängig sind. Mikro-Analysen liefern Informationen über Gitterstrukturen in Bereichen, die wesentlich für die Zuverlässigkeit des Bauteils sind (z.B. die Grenzfläche zwischen aktiven und passiven Zonen, die Elektrodenspitze, rissnah Bereiche, etc.). In diesem Projekt soll eine neuartige Kombination von Methoden eingeführt werden, um die Domänenorientierungsverteilung in Piezokeramiken für kommerziellen Aktoren auf mehreren Größen-Skalen (makro, mikro und nano) zu untersuchen. Diese werden auf Materialien angewendet, welche auf unterschiedlichen Niveaus von mechanischer Spannung und Temperatur konditioniert wurden, mit besonderem Augenmerk auf den kritischen Bereichen in MPAs. Die Entwicklung von Modellen der Domänenorientierungsverteilung soll die Interpretation der makroskopischen piezoelektrischen Eigenschaften - gemessen in den Experimenten - ermöglichen. Damit wird die Verbindung zwischen der lokalen Struktur und den Bauteil-Eigenschaften hergestellt. Dieses neugewonnene Wissen ist ein essenzieller Schritt für das Design von piezoelektrischen Bauteilen mit gezielten Domänenstrukturen, welche die Bauteil-Performance in unterschiedlichen Temperatur-Bereichen maximieren können. Wir erwarten, dass unser Projekt zu einem Durchbruch im Bereich der Piezokeramik bzw. Aktorik führen wird.

Um den strengen Abgasnormen für PKW gerecht zu werden, müssen die Verbrennungsprozesse im Motor optimiert werden. Um einen verringerten Schadstoffausstoß und einen niedrigeren Spritverbrauch zu erreichen, muss der Treibstoff in Sekundenbruchteilen mehrfach und mit sehr hohem Druck in den Verbrennungsraum eingespritzt werden. Herkömmliche Magnetventile kommen bei den steigenden Anforderungen, insbesondere den hohen Drücken, an ihre Grenzen. Als tragfähige Alternative werden im Motorenbau keramische Piezoaktoren eingesetzt. Diese Komponenten dehnen sich unter der Anregung elektrischer Felder aus, und ermöglichen dadurch eine sehr präzise Auslenkung im Mikrometerbereich. Die makroskopischen Bauteileigenschaften (die Auslenkung) während des Einsatzes von Piezoaktoren basieren auf der Veränderung der sogenannten ferroelektrischen Domänen. Diese sind mikro- bzw. nanoskopische Materialbereiche, welche eine kohärente elektrische Polarisation in einer gewissen Richtung aufweisen. Wie die Orientierung von Domänen die Auslenkung von Piezoaktoren in Abhängigkeit von Temperatur und Druck beeinflusst, ist aber noch Großteils unklar. Dieses Know-how wird von den Herstellern dringend benötigt, um die Bauteileigenschaften zu verbessern und gezielt zu steuern. Ziel des Projekts TRP 302-N20 ist durch gezielte Experimente zur Bauteilcharakterisierung bei der Weiterentwicklung und Verbesserung der Piezoaktoren beizutragen. Unter Einsatz von in-situ mikroanalytischer Experimente werden im Projekt die Auswirkungen der Domänenstruktur auf die Bauteileigenschaft erschlossen. Durch die Nutzung berührungsloser Methoden, wie u.a. Röntgen- und Laserstrahlung, können die Orientierungen der Domänen auf unterschiedlichen Längenskalen (von mikro bis zu nano) und bei anwendungsnahen Bedingungen (Temperatur, Druck) erfasst werden. Das Projekt startete 2013 und hat bahnbrechende Ergebnisse für den Automobilbereich geliefert: die Piezoaktoren zeigen deutlich bessere Leistungen, wenn sie mit einer kleinen Vorspannung im Motor eingebaut werden. Verschiedene im Projekt eingesetzte Messmethoden auf unterschiedlichen Längenskalen haben das Ergebnis gebracht, dass dies aus einer durch die Vorspannung ermöglichten Erhöhung von E-Feld-induzierter Domänenbewegung und Phasenumwandlung resultiert. Die Erkennung von diesen Aspekten, welche durch Strukturänderungen die Eigenschaften in Bauteilen steuerbar machen können, ist nicht nur für die Automobilindustrie, sondern auch für Anwendungen in der Sensorik (z.B. Beschleunigung-, Druck- bzw. Partikelsensoren), in der Lebensdauerüberwachung für die Luftfahrt und als Schlüsselelement für die Energiegewinnung wichtig.