Piezoelektrische Keramiken

Piezoelektrische Keramiken sind spezielle ferroelektrische Werkstoffe, die durch Polung nutzbare piezoelektrische Eigenschaften besitzen. Piezokeramiken auf der Basis des binären Systems von Bleizirkonat PbZrO3 und Bleititanat PbTiO3 (PZT) werden wegen ihrer exzellenten, auf die jeweiligen Anwendungen zugeschnittenen physikalischen Eigenschaften favorisiert. Die Fertigung der piezoelektrischen Keramiken erfolgt im Wesentlichen durch konventionelle Aufbereitung und thermische Reaktion von Pulverkomponenten nach der Mischoxidtechnik. Dank der großen Vielfalt der aus ihnen herstellbaren Bauteile kommen die piezoelektrischen Keramiken für elektromechanische Wandler in vielen technischen Bereichen zum Einsatz.

In diesem Seminar werden die physikalischen Grundlagen und die wesentlichen Aspekte einer praktischen Anwendung in den Bereichen Aktorik, Sensorik und Ultraschalltechnik behandelt.

Dieses Seminar richtet sich an Entwickler und Konstrukteure in der Elektrotechnik, Medizintechnik, Kommunikationstechnik sowie im Maschinen- und Fahrzeugbau als auch an Absolventen der Fachrichtung Mechatronik.

Mittwoch, 7. Mai 2025
8.45 bis 12.00 und 13.30 bis 17.00 Uhr

1. Grundlagen – piezoelektrischer Effekt und elektromechanische Wandler (F. Schubert) 

• physikalische Eigenschaften 
• Kristallstruktur und spontane Polarisation 
• piezoelektrischer Effekt ferroelektrischer Keramiken 
• Kenngrößen (dielektrische, elektromechanische und mechanische Eigenschaften) 
• Schwingungsformen 
• Richtungsabhängigkeit der dielektrischen und elektromechanischen Koeffizienten 
• Großsignalverhalten 
• Nichtlinearitäten

2. Piezoelektrische Leistungswandler (J. Twiefel) 

• Aufbau und Wirkprinzip, Prozesstechnik, Designregeln 
• Modellierung und Optimierung des Energieflusses, elektromechanische Ersatzmodelle 
• experimentelle Charakterisierung des Übertragungsverhaltens 
• regelungstechnische Konzepte

3. Messverfahren für elektromechanische Wandler aus piezokeramischen Werkstoffen (F. Schubert) 

• Bestimmung der Materialkennwerte piezoelektrischer Keramiken bei Klein- und Großsignalansteuerung 
• anwendungsorientierte Charakterisierung von Sensoren, Aktoren und Ultraschallwandlern

4. Anwendungen von Ultraschall (J. Twiefel) 

• Schweißen, Drahtbonden, Umformtechnik 
• US-unterstützte Bearbeitung 
• zerstörungsfreie Werkstoffprüfung 
• US-Levitation in Lagerungen 
• Schwingungsantriebe und US-Motoren 
• US in der Medizintechnik

5. Werkstoffe und Technologie (T. Einhellinger-Müller) 

• Werkstoffkategorien 
• Besonderheiten des PZT 
• Modifikation der Zusammensetzung 
• Spezifizierung der Eigenschaften für verschiedene Anwendungen 
• Aufbereitung von Werkstoffen aus Pulvern („Mischoxidtechnik“) 
• keramische Technologien (Formgebung, Sintern) 
• Metallisierung 
• Polung

Donnerstag, 8. Mai 2025
8.45 bis 12.00 und 13.30 bis 16.45 Uhr

6. Simulation piezoelektrischer Komponenten (T. Steinkopff) 

• lineare und nichtlineare Beschreibung des Materialverhaltens 
• Finite-Element-Methode: Grundlagen, Analysearten 
• statische und dynamische Belastungsanalysen von Aktoren und Sensoren 
• transiente Analyse von Komponenten in ihrer Systemumgebung

7. Piezoelektrische Aktoren und Sensoren (T. Einhellinger-Müller) 

• Grundlagen und Klassifizierung von Sensoren 
• Sensoren für mechanische Signale 
• Ansteuerkonzepte für Aktoren, Wirkungsgrad 
• statische und dynamische Anwendungskonzepte für Aktoren 
• insatzbeispiel und Anwendungsgrenzen

8. Piezokeramische Biegewandler (U. Greiner) 

• Aufbautechniken 
• Piezokeramiken 
• Designregeln 
• Eigenschaften in Abhängigkeit von mechanischer Spannung und elektrischem Feld, thermische Effekte 
• Zuverlässigkeit und Lebensdauer 
• Aspekte der Anwendung (Fluidtechnik, Textilanwendung)

9. RoHS-Konformität und Potenzial bleifreier Materialsysteme (F. Schubert) 

• EU-Richtlinie 2011-65-EU (ROHS II) 
• kritische Rohstoffe und Konfliktmineralien (Life cycle assessment) 
• Alternativen für PZT und technologische Herausforderungen 
• BNT basierte Werkstoffe 
• KNN basierte Werkstoffe 
• Schlussfolgerungen