Piezokeramiken, auch bekannt als piezoelektrische Keramiken, sind eine Klasse von Materialien, die den piezoelektrischen Effekt aufweisen. Das bedeutet, sie können als Reaktion auf ausgeübten mechanischen Stress oder Dehnung eine elektrische Ladung erzeugen und umgekehrt mechanische Dehnung erzeugen, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Diese Materialien sind entscheidend für verschiedene technologische Anwendungen, einschließlich Sensoren, Aktoren, Wandler und Ultraschallgeräte. Im Gegensatz zu natürlich vorkommenden piezoelektrischen Kristallen wie Quarz sind Piezokeramiken polykristalline Materialien, die in verschiedene Formen und Größen hergestellt werden können und somit eine größere Designflexibilität bieten. Dieser Artikel bietet einen technischen Überblick über Piezokeramiken, ihre Typen, Eigenschaften und Anwendungen.

1. Typen von Piezokeramiken

Piezokeramiken werden in verschiedenen Formen hergestellt, um unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Zu den gängigen Typen gehören:

Typ	Beschreibung	Typische Anwendungen
Piezokeramik-Ring	Ein ringförmiges Piezokeramik-Element.	Ultraschallreinigung, Hochleistungswandler.
Piezokeramik-Scheibe	Ein flaches, kreisförmiges Piezokeramik-Element.	Sensoren, Aktoren, Ultraschallwandler.
Piezokeramik-Rohr	Ein hohles, zylindrisches Piezokeramik-Element.	Ultraschall-Durchflussmesser, medizinische Ultraschallgeräte.
Piezokeramik-Zylinder	Ein massives, zylindrisches Piezokeramik-Element.	Hochleistungs-Ultraschallwandler, Vibrationsmotoren.
Piezokeramik-Kugel/Halbkugel	Ein kugelförmiges oder halbkugelförmiges Piezokeramik-Element.	Fokussierte Ultraschallwandler, medizinische Bildgebung.
Piezokeramik-Quadrat/Rechteck	Ein flaches, quadratisches oder rechteckiges Piezokeramik-Element.	Lineare Aktoren, Sensoren, Allzweckwandler.

2. Piezoelektrisches Material PZT8

PZT8 ist eine spezielle Art von Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)-Material, das für seinen hohen mechanischen Gütefaktor, hohe elektromechanische Kopplungsfaktoren und hohe Stabilität bekannt ist. Seine Eigenschaften machen es für Hochleistungsanwendungen geeignet:

• Hoher mechanischer Gütefaktor: Ermöglicht eine effiziente Energieumwandlung und reduziert Energieverluste.
• Hohe elektromechanische Kopplungsfaktoren: Sichert eine starke Wechselwirkung zwischen elektrischer und mechanischer Energie und verbessert die Leistung.
• Hohe Stabilität: Bietet zuverlässige Leistung unter variierenden Bedingungen.
• Niedriger Verlustfaktor: Minimiert die Energiedissipation und verbessert die Effizienz.
• Kompatibilität mit hohen Spannungen und mechanischen Belastungen: Macht es für anspruchsvolle Anwendungen geeignet.

Diese Eigenschaften machen PZT8 ideal für den Einsatz in Ultraschallreinigern, Ultraschall-Schweißmaschinen, Ultraschall-Detektoren, Ultraschallmotoren und Hochleistungswandlern, wie sie häufig in Geräten von Unternehmen wie Beijing Ultrasonic zu finden sind.

3. Piezoelektrisches Material PZT4

PZT4 ist eine weitere Art von PZT-Keramik, die ähnliche Eigenschaften wie PZT8 aufweist, aber hauptsächlich für mittlere Leistungsübertragungs- und Empfangsanwendungen verwendet wird. Zu den wichtigsten Eigenschaften gehören:

• Ähnliche Eigenschaften wie PZT8, jedoch mit Fokus auf Anwendungen im mittleren Leistungsbereich.
• Geeignet für Ultraschallreinigung, Ultraschallschweißen und Vibrationsmotoren.
• Effektiv in Hochfrequenzwandlern und Drucksensoren.

4. Piezoelektrisches Material PZT5

PZT5 ist ein „weiches“ piezoelektrisches Material, das durch seine großen Verformungen und hohe Empfindlichkeit gekennzeichnet ist. Seine einzigartigen Eigenschaften umfassen:

• Hohe Verformungsfähigkeit: Ermöglicht signifikante mechanische Bewegung als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld.
• Hohe Empfindlichkeit: Reagiert stark auf ausgeübten Stress oder Dehnung.
• Geeignet für Anwendungen, die präzise Steuerung und Detektion erfordern: Wie Durchflussmesser, medizinischer Ultraschall, Füllstandssensoren und Mikrofone.

5. Material und Struktur

Piezokeramiken sind durch eine nicht-zentrosymmetrische Kristallstruktur gekennzeichnet, die den piezoelektrischen Effekt ermöglicht. Während einige natürliche Kristalle diese Eigenschaft besitzen, werden die meisten Piezokeramiken künstlich hergestellt. Zu den wichtigsten Materialien gehören:

• Blei-Zirkonat-Titanat (PZT): Das am weitesten verbreitete Material aufgrund seiner hervorragenden piezoelektrischen Eigenschaften.
• Bariumtitanat: Eine weitere verbreitete Keramik, die piezoelektrisches Verhalten zeigt.
• Bleititanat: Ein Material mit unterschiedlichen piezoelektrischen Eigenschaften, geeignet für spezifische Anwendungen.

Im Gegensatz zu Einkristallen, die in bestimmten Richtungen geschnitten werden müssen, können Keramiken leicht geformt und hergestellt werden. Die häufigste Kristallstruktur in diesen Keramiken ist die Perowskit-Struktur mit der allgemeinen Formel ABO3.

6. Polarisationsprozess

Piezokeramiken bestehen aus kleinen Körnern (Kristalliten), die jeweils Domänen enthalten, in denen die Polrichtungen ausgerichtet sind. Vor dem Polarisationsprozess sind diese Domänen zufällig orientiert, was zu einer Netto-Polarisation von null führt. Durch Anlegen eines hohen Gleichstromfeldes während der Polarisierung richten sich diese Domänen in Feldrichtung aus, was zu einer remanenten Polarisation führt und piezoelektrische Eigenschaften ermöglicht.

7. Dotierung und Eigenschaften

Die Perowskit-Struktur ist sehr tolerant gegenüber Element-Substitution (Dotierung). Selbst geringe Mengen an Dotierstoffen können erhebliche Veränderungen der Materialeigenschaften bewirken, was eine Anpassung der Piezokeramiken für spezifische Anwendungen ermöglicht.

8. Konstitutive Gleichungen

Der piezoelektrische Effekt ist richtungsabhängig und kann mithilfe eines Koordinatensystems beschrieben werden, bei dem die Achse 3 parallel zur Polarisierungsrichtung verläuft. Die Beziehung zwischen Dehnung (S), Spannung (T) und elektrischem Feld (E) wird gegeben durch:

S = sE.T + d.E

Wobei:

• S der Dehnungstensor ist
• T der Spannungstensor ist
• E der elektrische Feldvektor ist
• sE die mechanische Nachgiebigkeit bei konstantem elektrischem Feld ist
• d der piezoelektrische Koeffizient ist

Der Term sE.T repräsentiert die mechanische Nachgiebigkeit, während der Term d.E den piezoelektrischen Effekt beschreibt, d.h. die durch das elektrische Feld induzierte Dehnung. Diese Gleichungen sind entscheidend für die Entwicklung piezoelektrischer Anwendungen.

Piezokeramiken sind wesentliche Materialien in der modernen Technologie und bieten aufgrund ihrer einzigartigen piezoelektrischen Eigenschaften ein breites Anwendungsspektrum. Die Fähigkeit, mechanische und elektrische Energie umzuwandeln, macht sie in verschiedenen Bereichen wie Industrie, Medizin und Unterhaltungselektronik unverzichtbar. Die vielfältige Palette an Materialien, Formen und Eigenschaften von Piezokeramiken ermöglicht hochspezialisierte Anwendungen. Hersteller wie Beijing Ultrasonic nutzen diese Materialien, um anspruchsvolle Geräte wie Ultraschallreiniger und Wandler herzustellen. Das Verständnis der technischen Aspekte von Piezokeramiken, einschließlich ihrer Struktur, des Polarisationsprozesses und der konstitutiven Gleichungen, ist für ihre effektive Anwendung und kontinuierliche Weiterentwicklung unerlässlich.