Grundlagen der keramischen Piezotechnik

Piezoelektrisches Funktionsprinzip, Perowskit und Polarisation

Unter Piezoelektrizität versteht man die Eigenschaft bestimmter Kristalle, bei mechanischer Deformation infolge Druck oder Zug elektrische Ladungen freizusetzen.

Dieser Vorgang wird auch als direkter Piezoeffekt bezeichnet. Die Umkehrung dieses Vorgangs, nämlich die Erzeugung mechanischer Deformationen durch elektrische Felder, bezeichnet man als den inversen Piezoeffekt. Die Polarität der Ladung hängt von der Orientierung des Kristalls bezüglich der Richtung des Druckes ab.

Direkter piezoelektrischer Effekt

 

Inverser piezoelektrischer Effekt

 

Die Struktur des Perowskit

Keramiken, die den Piezoeffekt zeigen, gehören zur Gruppe der Ferroelektrika. Heute werden fast ausnahmslos Systeme auf Bleizirkonat-Titanat-Basis (PZT) verwendet, also Mischkristalle aus Bleizirkonat (PbZrO3) und Bleititanat (PbTiO3). Ein piezokeramisches Bauelement ist ein polykristallines Gebilde, also aus einer Vielzahl von Kristalliten (Domänen) aufgebaut, die wiederum aus einer Vielzahl von Elementarzellen bestehen. Die Elementarzellen dieser ferroelektrischen Keramiken haben die Kristallstruktur des Perowskit, die allgemein mit der Strukturformel A2+B4+O32- beschrieben werden kann.

Schematische Darstellung der idealen Perowskitstruktur unter Vernachlässigung der auftretenden Verzerrungen durch spontane Polarisation unterhalb der Curietemperatur. Im Zentrum des Würfels befindet sich das zweiwertige Kation, während die vierwertigen Kationen an den Ecken des Würfels positioniert sind. Die zweiwertigen Anionen sind in dieser Darstellung in der Mitte jeder Würfelkante zu finden. Beim Bleizirkonat-Titanat- Mischkristall: A: Pb2+, B: Ti4+ / Zr4+

Piezoelektrischen Eigenschaften durch Polarisation

Bild: Ferroelektrische Keramik vor, während und nach der Polarisation
 

Die piezoelektrischen Eigenschaften müssen durch „Polen“ hervorgerufen werden. Unter dem Einfluss eines elektrischen Gleichfeldes werden die elektrischen Dipole in Feldrichtung ausgerichtet. Diese Orientierung bleibt auch nach Abschalten des elektrischen Gleichfeldes zum großen Teil erhalten (remanente Polarisation). Dies ist die notwendige Voraussetzung für das piezoelektrische Verhalten der ferroelektrischen Keramik.

Für weitere Informationen zu den Grundlagen der keramischen Piezotechnik, zum dynamischen Verhalten von Piezokeramik und zu den Grundschwingungsformen piezoelektrischer Resonatoren empfehlen wir unsere Broschüre „Hochleistungskeramik in der Piezotechnik“.

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