Piezoelektrisches Arbeitsprinzip, Perowskit und Polarisation
Piezoelektrizität beruht auf der Eigenschaft bestimmter Kristalle, bei mechanischer Belastung, etwa durch Druck oder Zug, eine elektrische Ladung zu erzeugen (direkter piezoelektrischer Effekt). Umgekehrt verformen sich diese Kristalle kontrolliert, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Dieses Phänomen wird als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Die Polarität der Ladung hängt dabei von der Ausrichtung des Kristalls relativ zur Richtung der einwirkenden mechanischen Spannung ab.
Die Struktur des Perowskit
Piezokeramiken gehören zur Gruppe der ferroelektrischen Werkstoffe. Viele piezokeramische Systeme basieren auf Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), einer festen Lösung aus Blei-Zirkonat (PbZrO₃) und Blei-Titanat (PbTiO₃). Piezokeramische Bauteile besitzen eine polykristalline Struktur aus zahlreichen Kristalliten, die in Domänen unterteilt sind. Ihre Elementarzellen weisen eine charakteristische Perowskitstruktur auf, die allgemein mit der Formel ABO₃ beschrieben wird.
In der dargestellten Darstellung befindet sich das zweiwertige A-Platz-Kation im Zentrum des Würfels, während die vierwertigen B-Platz-Kationen die Würfelecken besetzen und die O²⁻-Anionen in den Mitten der Würfelkanten liegen. Bei PZT ist der A-Platz mit Pb²⁺ und der B-Platz mit Ti⁴⁺ und Zr⁴⁺ besetzt.
Unterhalb der Curie-Temperatur führen Verzerrungen dieser idealen Struktur zu einer spontanen Polarisation, einem zentralen Merkmal ferroelektrischer Werkstoffe.
Erzeugung piezoelektrischer Eigenschaften durch Polarisation
Bild: Vor, während und nach der Polarisation
Unmittelbar nach dem Sintern sind die Domänen einer keramischen Struktur, also Bereiche aus Elementarzellen mit einheitlicher Dipolausrichtung, zufällig orientiert. Dadurch ist der Keramikkörper makroskopisch isotrop und zeigt keine piezoelektrischen Eigenschaften.
Diese piezoelektrischen Eigenschaften werden durch einen als Polung bezeichneten Prozess erzeugt. Dabei wird der keramische Körper einem starken elektrischen Gleichfeld ausgesetzt, wodurch sich die elektrischen Dipole am angelegten Feld ausrichten. Die Dipole behalten diese Ausrichtung größtenteils auch nach Abschalten des elektrischen Feldes bei. Es entsteht eine remanente Polarisation, die eine notwendige Voraussetzung für das piezoelektrische Verhalten ferroelektrischer Keramiken ist.
