Texturierung bleifreier Kalium-Natrium-Niobat-basierter Piezokeramiken

Piezokeramiken auf Basis von Blei-Zirkonat-Titanaten (PZT) werden heutzutage in großer Stückzahl für verschiedenste aktorische bzw. sensorische Anwendungen eingesetzt. Vor dem Hintergrund der globalen gesetzgeberischen Bestrebungen, die Verwendung bleihaltiger Werkstoffe in elektrischen und elektronischen Geräten zu unterbinden sowie im Hinblick auf den kontinuierlich steigenden Bedarf an intelligenten Materialien ist in der letzten Dekade eine weltweite Suche nach bleifreien Alternativkeramiken entbrannt.Da die gegenwärtigen bleifreien Piezokeramiken typischerweise nur etwa 50% der von den etablierten PZT-Materialien bekannten Leistungsdaten erreichen, müssen neue Wege zur Verbesserung der piezoelektrischen Konstanten beschritten werden. Dabei stellt die gezielte Gefügetexturierung einer polykristallinen Keramik einen neuartigen und sehr aussichtsreichen Ansatz zur signifikanten Eigenschaftsverbesserung dar.In dieser Arbeit wird im Speziellen die Texturierung bleifreier Kalium-Natrium-Niobatbasierter Piezokeramiken mittels der Methode des templatgestützten Kornwachstums unter Verwendung seriennaher Prozesstechnik systematisch untersucht und bewertet. Ausgehend von der Auswahl unterschiedlich dotierter Matrixmaterialien werden anschließend die Effekte verschiedenartiger Templatsysteme betrachtet und holistische Korrelationen zwischen Mikrostruktur, kristallographischer Textur und funktionalen Eigenschaften hergestellt.Für die als am aussichtsreichsten identifizierte Keim-Matrix-Kombination kann nach sukzessiver methodischer Optimierung verschiedener Prozessparameter ein Texturierungsgrad von mehr als 85% sowie eine Steigerung der aktorischen Eigenschaften um mehr als 40% bei gleichzeitig deutlich vorteilhafterem Temperaturgang erzielt werden. Neben der Untersuchung der relevanten fundamentalen Wirkmechanismen in der texturierten Keramik werden darüber hinaus die elementaren Abläufe bei der Herstellung der Template beleuchtet. Somit werden zum einen die material- und verfahrensseitig gewonnenen Erkenntnisse mit Grundlagenverständnis komplettiert, zum anderen wird die gesamte Prozesskette der Texturierung von bleifreien Keramiken umfänglich abgedeckt.Die in dieser Arbeit vorgestellte texturierte (K,Na)NbO3-basierte Keramik erreicht in etwa 75% des Leistungsstands vergleichbarer PZT-Keramiken und erscheint somit als potenziell vielversprechende Alternative für Applikationen mit moderaten aktorischen Anforderungen.