DE102007028094B4 - Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit Texturierung, Verfahren zum Herstellen der Keramik und eines piezokeramischen Bauteils und dessen Verwendung - Google Patents

Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit Texturierung, Verfahren zum Herstellen der Keramik und eines piezokeramischen Bauteils und dessen Verwendung Download PDF

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Abstract

Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit Texturierung, aufweisend Texturkeime mit Barium-Titanat-Kristalliten,
wobei die Barium-Titanat-Kristallite
– einen im Wesentlichen gleichen Kristallhabitus mit Form-Anisotropie aufweisen und
– in der Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik eine (001)-Orientierung aufweisen
und wobei
– die Keramik die Texturkeime mit einem aus dem Bereich von 0,1 vol% bis 10 vol% und insbesondere aus dem Bereich von 0,5 vol% bis 5 vol% ausgewählten Volumenanteil aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit Texturierung. Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen der Keramik und eine Verwendung der Keramik angegeben.
  • Piezokeramische Werkstoffe auf der Basis des binären Mischsystems von Bleizirkonat und Bleititanat, so genannte Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (Pb(Ti,Zr)O3, PZT), werden wegen ihrer sehr guten mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften, beispielsweise hohe Curietemperatur Tc von über 300°C oder hoher d33-Koeffizient im Groß- und Kleinsignalbereich, in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Piezokeramische Bauteile mit diesen Werkstoffen sind beispielsweise Biegewandler, Vielschichtaktoren und Ultraschallwandler. Diese Bauteile werden in der Aktorik, der Medizintechnik, der Ultraschalltechnik oder der Automobiltechnik eingesetzt.
  • Zur Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften von PZT und damit zur Steigerung der Leistungsdaten der piezokeramischen Bauteile wird PZT beispielsweise mit Erdalkalimetallen oder Seltenerdmetallen dotiert. Da die Verbesserungsmöglichkeiten durch die Dotierungen nahezu ausgeschöpft sind, müssen neue Wege beschritten werden.
  • Eine Möglichkeit zur Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften besteht in einer Texturierung der PZT-Keramik. Eine texturierte Keramik zeichnet sich dadurch aus, dass die Körner bzw. Kristallite im Keramikgefüge gleich orientiert sind.
  • Die Texturierung von PZT-Zusammensetzungen ist beispielsweise in Hiroki Muramatsu und Toshio Kimura, Effect of Pb(ZrxTi1-x)O3 composition an crytallographic texture in PZT composites, Journal of the European Ceramic Society, Vol 25 (2005), S. 2231–2234 beschrieben. Als Texturierungskeime werden plättchenförmige Barium-Titanat-Kristallite folgender Zusammensetzung verwendet: Ba6Ti17O40. Diese Barium-Titanat-Kristallite werden mit einem Volumenanteil von 40 vol% eingesetzt.
  • Ein Verfahren zur Texturierung einer PZT-Keramik ist beispielsweise in der DE 102 19 910 A1 beschrieben. Basis für das Verfahren bilden einkristalline Fasern aus PZT, die als Texturkeime (Keime zur Texturierung) eingesetzt werden sollen. Die Texturkeime fungieren als Schablonen und bilden eine Matrix, anhand der PZT-Kristallite der Keramik im Verlauf des Sinterprozesses orientiert aufwachsen. Dieser Prozess wird als „templated grain growth process” (TGG) bezeichnet.
  • Bis jetzt ist es aber nicht gelungen, eine Texturierung von PZT über einkristalline PZT-Fasern als Texturkeime zu realisieren.
  • Dagegen ist die erfolgreiche Verwendung faserförmiger Texturkeime im Zusammenhang mit einer piezokeramischen Zusammensetzung aus Blei-Magnesium-Niobat und Bleititanat (PMN-PT) aus Eduard M. Sabolsky et al., Dielectric and piezoelectric properties of <001> fiber-textured 0.675Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.325PbTiO3 ceramics, Journal of Applied Physics, Vol. 93, No. 7 (2003), S. 4072–4080 bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher es, einen Weg aufzuzeigen, Wie eine PZT-Keramik texturiert werden kann.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird eine Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit Texturierung angegeben, aufweisend Texturkeime mit Barium-Titanat-Kristalliten, wobei die Barium-Titanat-Kristallite einen im Wesentlichen gleichen Kristallhabitus mit Form-Anisotropie aufweisen und in der Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik eine (001)-Orientierung aufweisen und wobei die Keramik die Texturkeime mit einem aus dem Bereich von 0,1 vol% bis 10 vol% und insbesondere aus dem Bereich von 0,5 vol% bis 5 vol% ausgewählten Volumenanteil aufweist.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit folgenden Verfahrensschritten angegeben:
    • a) Bereitstellen der Barium-Titanat-Kristallite,
    • b) Zusammenbringen der Barium-Titanat-Kristallite und eines Ausgangsmaterials des Blei-Zirkonat-Titanats zu einem keramischen Grünkörper derart, dass die Barium-Titanat-Kristallite im Grünkörper eine (001)-Orientierung aufweisen und
    • c) Wärmebehandeln des Grünkörpers.
  • Die Barium-Titanat-Kristallite werden in das Ausgangsmaterial der Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik eingebracht und ausgerichtet.
  • Unter Kristallhabitus ist eine äußere Form der Barium-Titanat-Kristallite zu verstehen. Es geht um die Größenverhältnisse der Flächen der Kristallite. Beispielsweise ist der Kristallhabitus stäbchenförmig. Besonders geeignet sind plättchenförmige Barium-Titanat-Kristallite. In einer besonderen Ausgestaltung liegen daher die Barium-Titanat-Kristallite als Barium-Titanat-Kristallit-Plättchen vor. Dabei ist eine Hauptfläche eines jeweiligen Barium-Titanat-Kristallit-Plättchens von der kristallographischen (001)-Ebene gebildet.
  • Die als Texturkeime eingesetzten Barium-Titanat-Kristallite zeichnen sich durch eine Form-Anisotropie aus. Dies bedeutet, dass die Barium-Titanat-Kristallite in unterschiedlichen Raumrichtungen unterschiedlich ausgestaltet sind. Länge und Höhe der Barium-Titanat-Kristallite unterscheiden sich voneinander. Durch die Form-Anisotropie ist es möglich, die Barium-Titanat-Kristallite im Grünkörper auszurichten.
  • Der Grünkörper ist ein Formkörper, der neben den Barium-Titanat-Kristalliten das Ausgangsmaterial des PZTs aufweist. Das Ausgangsmaterial besteht beispielsweise aus homogen vermischten und zusammen verpressten Oxiden von Blei, Zirkonium, Titan und eventuell benötigten Dotierstoffen. Ebenso kann der Grünkörper ein organisches Additiv aufweisen, das mit den Oxiden der Metalle zu einem Schlicker verarbeitet ist. Das organische Additiv ist beispielsweise ein Binder oder ein Dispergator. Aus dem Schlicker wird in einem Formgebungsprozess ein Grünkörper erzeugt. Der Grünkörper ist vorzugsweise eine Grünfolie, die durch den Formgebungsprozess (Folienziehen) hergestellt wird. Der beim Formgebungsprozess hergestellte Grünkörper mit den ausgerichteten Barium-Titanat-Kristalliten und mit der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung wird einer Wärmebehandlung unterzogen. Das Wärmebehandeln des Grünkörpers beinhaltet ein Kalzinieren und ein Sintern. Es kommt zur Bildung und zum Verdichten der PZT-Keramik.
  • Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, Barium-Titanat-Kristallite im TGG-Prozess als Texturkeime einzusetzen. Im TGG-Prozess werden die Barium-Titanat-Kristallite, beispielsweise beim Folienziehen, gleich ausgerichtet. Dies bedeutet, dass die kristallographischen (001)-Ebenen der Blei-Titanat-Kristallite im Wesentlichen gleich orientiert, d. h. parallel oder nahezu parallel zueinander ausgerichtet sind. Die so ausgerichteten Barium-Titanat-Kristallite fungieren als Kristallisationskeime, an denen im Verlauf der Wärmebehandlung ein epitaktisches Wachstum von Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalliten stattfindet. Es findet ein orientiertes Wachstum des PZTs statt. Es resultiert die Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit einer (001)-Texturierung. Dabei hat sich gezeigt, dass die Barium-Titanat-Kristallite während der Wärmebehandlung nicht aufgelöst und deren Bestandteile nicht in die sich bildende PZT-Keramik eingebaut werden. Die Barium-Titanat-Kristallite bleiben erhalten und werden lediglich von der sich bildenden PZT-Keramik eingeschlossen. Somit werden durch den Einsatz von Barium-Titanat-Kristalliten als Texturkeime die von Haus aus vorhandenen, sehr guten piezoelektrischen Eigenschaften des PZTs nahezu nicht beeinflusst.
  • Im Prinzip können beliebig große Barium-Titanat-Kristallite als Texturkeime eingesetzt werden. Deren Größe kann sich lediglich an die Abmessungen des Grünkörpers orientieren, in die die Barium-Titanat-Kristallite integriert werden. In einer besonderen Ausgestaltung weisen die Barium-Titanat-Kristallite aber eine aus dem Bereich von 10 μm bis 50 μm ausgewählte Barium-Titanat-Kristallit-Länge (Kantenlänge) auf. Vorzugsweise ist die Barium-Titanat-Kristallit-Länge aus dem Bereich von 10 μm bis 30 μm ausgewählt. Beispielswiese beträgt die Barium-Titanat-Kristallit-Länge 20 μm. In einer weiteren Ausgestaltung weisen die Barium-Titanat-Kristallite eine aus dem Bereich von 1 μm bis 5 μm ausgewählte Barium-Titanat-Kristallit-Höhe auf. Vorzugsweise ist die Barium-Titanat-Kristallit-Höhe aus dem Bereich von 1 μm bis 3 μm ausgewählt. Beispielsweise beträgt die Barium-Titanat-Kristallit-Höhe etwa 2 μm.
  • Barium-Titanat-Kristallite mit diesen Abmessungen sind beispielsweise durch Ziehen aus geschmolzenen Salzmischungen zugänglich. Ein nachträgliches Zerkleinern entfällt, wie es beispielsweise beim bekannten Remeika-Prozess notwendig wäre. Es können gleichmäßige Texturkeime eingesetzt werden.
  • Mit den kleinen Abmessungen wird dafür gesorgt, dass die Barium-Titanat-Kristallite optimal als Texturierungskeime fungieren können: Die Barium-Titanat-Kristallite zeichnen sich durch eine relativ große „reaktive” Oberfläche aus, an der das epitaktische Wachstum der Blei-Zirkonat-Titanat-Kristallite stattfinden kann. Dies beinhaltet den Vorteil, dass ein Volumenanteil der Barium-Titanat-Kristallite klein gehalten werden kann. Somit werden die piezoelektrischen Eigenschaften der PZT-Keramik durch die Gegenwart der Barium-Titanat-Kristallite kaum beeinflusst.
  • Die Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik weist die Texturkeime mit einem aus dem Bereich von 0,1 vol% bis 10 vol% und insbesondere aus dem Bereich von 0,5 vol% bis 5 vol% ausgewählten Volumenanteil auf. Größere Volumenanteile sind dabei auch möglich. Ein Volumenanteil aus den niedrigen, angegebenen Bereichen ist insbesondere deshalb möglich, wenn – wie oben beschrieben – kleine und damit hoch reaktive Barium-Titanat-Kristallite mit kleinen Abmessungen als Texturkeime eingesetzt werden.
  • Mit der Erfindung ist eine beliebige Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit Texturierung zugänglich. Die Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik kann beliebige Dotierungen aufweisen. Mit Hilfe der Dotierungen kann eine Zusammensetzung der Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik im Hinblick auf deren Einsatz hin optimiert werden. Beispielsweise lautet eine Summenformel der Keramik wie folgt: Pb(Mg1/3Nb2/3)0,42(Ti0,638Zr0,362)0,58O3 Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Mischen pulverförmiger, oxidischer Metallverbindungen der benötigten Metalle des Blei-Zirkonat-Titanats durchgeführt.
  • Dabei können neben Oxiden der Metalle, wie Bleioxid (PbO), Zirkoniumoxid (ZrO2) und Titanoxid (TiO2), auch Vorstufen der Oxide der Metalle, beispielsweise Carbonate oder Oxalate eingesetzt werden. Beide Arten von Metallverbindungen, also die Vorstufen der Oxide sowie die Oxide selbst, können als oxidische Metallverbindungen bezeichnet werden.
  • Die Pulver der oxidischen Metallverbindungen können nach bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise nach dem Sol-Gel-, dem Citrat-, dem Hydrothermal- oder dem Oxalatverfahren. Dabei können oxidische Metallverbindungen mit nur einer Art Metall hergestellt werden. Denkbar ist insbesondere auch, dass oxidische Metallverbindungen mit mehren Arten von Metallen eingesetzt werden (Mischoxide). Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird daher eine piezokeramische Ausgangszusammensetzung mit mindestens einer oxidischen Metallverbindung mit mindestens zwei der Metalle verwendet. Ein Beispiel hierfür ist Zirkonat-Titanat ((Zr,Ti)O4). Zum Bereitstellen dieser Mischoxide kann auch auf die oben erwähnten Fällungreaktionen zurückgegriffen werden. Denkbar ist auch ein Mixed-Oxide-Verfahren. Dabei werden pulverförmige Oxide der Metalle miteinander vermischt und bei höheren Temperaturen kalziniert. Beim Kalzinieren entstehen die Mischoxide.
  • Die Aufarbeitung der Metalloxide mit der Überführung in die Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik kann auf verschiedenen Weisen erfolgen. Denkbar ist beispielsweise, dass zunächst die Pulver der oxidischen Metallverbindungen homogen vermischt werden. Es entsteht die piezokeramische Ausgangszusammensetzung in Form einer homogenen Mischung der Metalloxide. Diese homogene Mischung wird zusammen mit den Barium-Titanat-Kristalliten zum Grünkörper weiterverarbeitet. Anschließend wird der Grünkörper mit der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung durch Wärmebehandeln, z. B. durch Kalzinieren, in die PZT-Keramik überführt.
  • Vorzugsweise wird im Formgebungsprozess ein keramischer Grünkörper mit einem organischen Binder und weiteren organischen Additiven hergestellt. Im Grünkörper sind die Blei-Titanat-Kristallite ausgerichtet. Dieser keramische Grünkörper wird entbindert und gesintert. Dabei bildet sich das piezokeramische Bauteil mit der texturierten Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik. Als besonders günstig hat sich eine mehrstufige Wärmebehandlung herausgestellt. So ist es für den Fortgang der Texturierung günstig, nach dem Entbindern eine Kalzinierung bei ca. 750°C durchzuführen (Kalzinierungsdauer ca. 2 h). In einer besonderen Ausgestaltung umfasst das Wärmebehandeln eine Haltephase von ca. 2 h bei 900°C. Dadurch kann ein Verdichten des Grünkörpers ohne zu starkes Korn- und Keimwachstum erreicht werden.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird ein piezokeramischer Bauteil mit mindestens einem Piezoelement hergestellt, das eine Elektrodenschicht mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht mit einem weiteren Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Piezokeramikschicht mit dem Blei-Zirkonat-Titanat aufweist. Ein einziges Piezoelement stellt die kleinste Einheit des piezokeramischen Bauteils dar. Zum Herstellen des Piezoelements wird beispielsweise eine keramische Grünfolie mit der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung und den Texturkeimen mit den Elektrodenmaterialien bedruckt. Die Elektrodenmaterialien können dabei gleich oder unterschiedlich sein. Durch nachfolgendes Entbindern und Sintern resultiert das Piezoelement.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird ein Piezoelement verwendet, bei dem das Elektrodenmaterial und/oder das weitere Elektrodenmaterial mindestens ein aus der Gruppe Silber, Kupfer, Palladium und/oder Platin ausgewähltes elementares Metall aufweisen. Der piezokeramische Werkstoff bzw. das Piezoelement wird insbesondere durch ein gemeinsames Sintern der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung und der Elektrodenmaterials hergestellt (Cofiring). Das Elektrodenmaterial kann dabei aus den reinen Metallen bestehen, beispielsweise nur aus Silber oder nur aus Kupfer. Eine Legierung der genannten Metalle ist ebenfalls möglich, beispielsweise eine Legierung aus Silber und Palladium.
  • Das Sintern zur Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik kann sowohl in reduzierender oder oxidierender Sinteratmosphäre durchgeführt werden. In einer reduzierenden Sinteratmosphäre ist nahezu kein Sauerstoff vorhanden. Ein Sauerstoffpartialdruck beträgt weniger als 1·10–2 mbar und vorzugsweise weniger als 1·10–3 mbar. Durch Sintern in einer reduzierenden Sinteratmosphäre ist kostengünstiges Kupfer als Elektrodenmaterial möglich.
  • Prinzipiell kann mit Hilfe der piezokeramischen Ausgangszusammensetzung jedes beliebige piezokeramische Bauteil mit der Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik hergestellt werden. Das piezokeramische Bauteil weist vornehmlich mindestens ein oben beschriebenes Piezoelement auf. Vorzugsweise wird das piezokeramische Bauteil mit dem Piezoelement aus der Gruppe piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Vielschichtaktor, piezokeramischer Transformator, piezokeramischer Motor und piezokeramischer Ultraschallwandler ausgewählt. Das Piezoelement ist beispielsweise Bestandteil eines piezoelektrischen Biegewandlers. Durch Übereinanderstapeln einer Vielzahl von einseitig oder beidseitig mit Elektrodenmaterial bedruckten Grünfolien, nachfolgendes Entbindern und Sintern entsteht ein monolithischer Stapel aus Piezoelementen. Bei geeigneter Dimensionierung und Form resultiert ein monolithischer piezokeramischer Vielschichtaktor. Dieser piezokeramische Vielschichtaktor wird vorzugsweise zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils eines Verbrennungsmotors eingesetzt. Durch die stapelförmige Anordnung der Piezoelemente ist auch, bei geeigneter Dimensionierung und Form, ein piezokeramischer Ultraschallwandler zugänglich. Der Ultraschallwandler wird beispielsweise in der Medizintechnik oder zur Materialprüfung eingesetzt.
  • Folgende besondere Vorteile sind mit der Erfindung verbunden:
    • – Mit der Erfindung ist eine Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit Texturierung zugänglich.
    • – Neben der Möglichkeit der Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften der Piezokeramik mit Hilfe der Texturierung kann die Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften dotiert sein.
  • Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
  • 1 zeigt ein keramisches Piezoelement mit texturierter Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik in einem seitlichen Querschnitt.
  • 2 zeigt ein piezokeramisches Bauteil mit einer Vielzahl von Piezoelementen in einem seitlichen Querschnitt.
  • 3 zeigt ein Röntgendiffraktogramm der Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik.
  • 4 zeigt die Abhängigkeit des d33-Koeffizienten der Texturierten PZT-Keramik im Vergleich zur nicht texturierten PZT-Keramik.
  • 5 zeigt Kleinsignal-Kopplung von texturierter und nicht texturierter PZT-Keramik.
  • 6 zeigt die Dehnung der texturierten PZT-Keramik im Vergleich zur nicht texturierten PZT-Keramik.
  • 7 zeigt ein Verfahren zum Bereitstellen einer keramischen Grünfolie.
  • Die Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik weist folgende Zusammensetzung auf: Pb(Mg1/3Nb2/3)0,42(Ti0,638Zr0,362)0,58O3. Zur Texturierung der Keramik werden Barium-Titanat-Kristallite in Form von Plättchen eingesetzt. Die Barium-Titanat-Plättchen haben folgende Abmessungen: Länge etwa 20 μm und Höhe etwa 2 μm. Die Plättchen weisen eine starke Form-Anisotropie auf.
  • Die Barium-Titanat-Plättchen werden wie folgt hergestellt: Im ersten Schritt werden plättchenförmige Partikel aus Bi4Ti3O12 mit einer Länge von 5 μm bis 20 μm und einer Dicke von 1 μm bis 2 μm aus einer Salzschmelze gewonnen. Danach werden aus diesen Plättchen in stöchiometrischen Mengen BaCO3 und TiO2 zugegeben, In der Salzschmelze wird Bi durch Ba ausgetauscht. Es bilden sich die die Barium-Titanat-Plättchen mit ähnlichen Größenverhältnissen.
  • Zum Herstellen der texturierten PZT-Keramik wird wie folgt vorgegangen: Es wird in einem Folienziehprozess (Spaltweite ca. 90 μm) eine Grünfolie 71 hergestellt (7). Dazu werden die Barium-Titanat-Kristallite 72 mit einem Volumenanteil von 5% zur Ausgangszusammensetzung beigemengt. Durch die beim Folienziehen auftretenden Scherkräfte werden die Barium-Titanat-Kristallite mit (001)-Orientierung in der Folie ausgerichtet. Mehrere Folien werden übereinander gestapelt und unter einem Druck von ca. 40 MPa laminiert und bei ca. 60°C getrocknet.
  • Nach dem Trocknen werden rechteckige Proben mit einer Kantenlänge von ca. 6 mm ausgeschnitten. Die Proben werden bei ca. 550°C. entbindert. Im anschließenden Sinterprozess fungieren die Barium-Titanat-Kristallite als Kristallisationskeime. Es bildet sich die Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit der Texturierung. Dabei erfolgt die Sinterung mehrstufig. So wird die Sintertemperatur über einen Zeitraum von 2 h bei einer Sintertemperatur von 750°C gehalten. Hier findet die Kalzinierung statt. Anschließend wird über einen Zeitraum von 2 h bei 900°C verdichtet.
  • Dadurch kann eine Verdichtung ohne zu starkes Kristallwachstum erzielt werden. Anschließende Sinterung bei höheren Temperaturen (1150°C) von bis zu 10 h führt zum Keimwachstum und zur Texturierung.
  • 3 zeigt ein XRD-Spektrum 31 der texturierten PZT-Keramik. Zum Vergleich ist das XRD-Spektrum 32 einer nicht texturierten PZT-Keramik gezeigt. Deutlich tritt im Spektrum der texturierten PZT-Keramik der 001-Peak zu Tage, während die anderen Peaks durch die Texturierung unterdrückt werden..
  • Zur Charakterisierung der dielektrischen Eigenschaften werden auf die Hauptflächen der Proben Elektrodenschichten aus Silber aufgebracht, über die in die Keramik ein elektrisches Feld parallel zur (001)-Richtung eingekoppelt werden. 4 zeigt die Dehnung in Abhängigkeit vom eingekoppelten elektrischen Feld. Im Vergleich zum nicht texturierten PZT (42) tritt eine deutlich höhere Dehnung beim texturierten PZT (41).
  • Auch bezüglich des d33-Koeffizienten (5) und bezüglich des Kopplungsfaktor k31 treten bei der texturierten PZT (51 bzw. 61) gegenüber dem nicht texturiertem PZT (52 bzw. 62) verbesserte Werte auf.
  • In Anlehnung an das beschriebene Verfahren wird ein piezokeramisches Bauteil 1 mit der PZT-Keramik hergestellt. Das piezokeramische Bauteil 1 ist gemäß einer ersten Ausführungsform ein Piezoaktor 1 in monolithischer Vielschichtbauweise (2). Der Piezoaktor 1 besteht aus einer Vielzahl von übereinander zu einem Stapel angeordneten Piezoelementen 10 (1). Jedes der Piezoelemente 10 weist eine Elektrodenschicht 11, eine weitere Elektrodenschicht 12 und eine zwischen den Elektrodenschichten 11 und 12 angeordnete Piezokeramikschicht 13 auf. Die im Stapel benachbarten Piezoelemente 10 weisen jeweils eine gemeinsame Elektrodenschicht auf. Die Elektrodenschichten 11 und 12 weisen ein Elektrodenmaterial aus einer Silber-Palladium- Legierung auf, bei der Palladium zu einem Anteil von 5 Gew.% enthalten ist. In einer alternativen Ausführungsform bestehen die Elektrodenschichten aus (annähernd) reinem Silber. Gemäß einer weiteren Alternative ist das Elektrodenmaterial Kupfer.
  • Die Grünfolien werden getrocknet, mit einer Paste mit dem Elektrodenmaterial bedruckt, übereinander gestapelt, laminiert, entbindert und zum Piezoaktor 1 unter oxidierender Sinteratmosphäre (Silber oder Silber-Palladium-Legierung als Elektrodenmaterial) oder reduzierender Sinteratmosphäre (Kupfer als Elektrodenmaterial) gesintert.
  • Der resultierende monolithische piezokeramische Vielschichtaktor wird zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.
  • Weitere, nicht dargestellte Ausführungsformen wie piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Transformator oder piezokeramischer Ultraschallwandler sind mit Hilfe der neuen piezokeramischen Zusammensetzung ebenfalls zugänglich.

Claims (13)

  1. Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik mit Texturierung, aufweisend Texturkeime mit Barium-Titanat-Kristalliten, wobei die Barium-Titanat-Kristallite – einen im Wesentlichen gleichen Kristallhabitus mit Form-Anisotropie aufweisen und – in der Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik eine (001)-Orientierung aufweisen und wobei – die Keramik die Texturkeime mit einem aus dem Bereich von 0,1 vol% bis 10 vol% und insbesondere aus dem Bereich von 0,5 vol% bis 5 vol% ausgewählten Volumenanteil aufweist.
  2. Keramik nach Anspruch 1, wobei die Kristallite als Barium-Titanat-Kristallit-Plättchen vorliegen und eine Hauptfläche eines jeweiligen Barium-Titanat-Kristallit-Plättchens von der kristallographischen (001)-Ebene gebildet ist.
  3. Keramik nach Anspruch 2, wobei die Kristallite eine aus dem Bereich von 10 μm bis 50 μm und insbesondere eine aus dem Bereich von 10 μm bis 20 μm ausgewählte Kristallit-Länge aufweisen.
  4. Keramik nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Kristallite eine aus dem Bereich von 2 μm bis 5 μm ausgewählte Kristallit-Höhe aufweisen.
  5. Keramik nach Anspruch 1 bis 4 wobei die Summenformel der Keramik wie folgt lautet: Pb(Mg1/3Nb2/3)0,42(Ti0,638Zr0,362)0,58O3
  6. Verfahren zum Herstellen einer Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen der Barium-Titanat-Kristallite, b) Zusammenbringen der Barium-Titanat-Kristallite und eines Ausgangsmaterials des Blei-Zirkonat-Titanats zu einem keramischen Grünkörper derart, dass die Barium-Titanat- Kristallite im Grünkörper eine (001)-Orientierung aufweisen und c) Wärmebehandeln des Grünkörpers.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Grünkörper eine Grünfolie verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Wärmebehandeln eine Haltephase von ca. 2 h bei 900°C umfasst.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein Mischen pulverförmiger, oxidischer Metallverbindungen der jeweiligen Metalle zum Ausgangsmaterial durchgeführt wird.
  10. Verfahren zur Herstellung eines piezokeramischen Bauteils (1) mit mindestens einem Piezoelement (10), das eine Elektrodenschicht (11) mit Elektrodenmaterial, mindestens eine weitere Elektrodenschicht (12) mit einem weiteren Elektrodenmaterial und mindestens eine zwischen den Elektrodenschichten (11, 12) angeordnete Piezokeramikschicht (13) mit der Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6–7 aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Piezoelement (10) verwendet wird, bei dem das Elektrodenmaterial und/oder das weitere Elektrodenmaterial mindestens ein aus der Gruppe Silber, Kupfer, Palladium und/oder Platin ausgewähltes elementares Metall aufweisen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei das piezokeramische Bauteil (1) mit dem Piezoelement (10) aus der Gruppe piezokeramischer Biegewandler, piezokeramischer Vielschichtaktor, piezokeramischer Transformator, piezokeramischer Motor und piezokeramischer Ultraschallwandler ausgewählt wird.
  13. Verwendung eines nach dem Verfahren nach Anspruch 12 hergestellten piezokeramischen Vielschichtaktors zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils eines Verbrennungsmotors.
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