DE102009029511A1 - Keramikmaterial für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung und Herstellungsverfahren für ein Keramikmaterial für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung - Google Patents

Keramikmaterial für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung und Herstellungsverfahren für ein Keramikmaterial für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Keramikmaterial (10) für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung auf einer Basis von zumindest Wismut-Natrium-Barium-Strontium-Titanat mit einer Komplexdotierung mit Ionenkomplexen mit einem einwertigen Ion von Lithium, Silber und/oder Kalium und einem dreiwertigen Ion von Lanthan, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein Keramikmaterial (10) für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung mit den Schritten: Dotieren eines Materials auf einer Basis von zumindest Wismut-Natrium-Barium-Strontium-Titanat mit Ionenkomplexen mit einem einwertigen Ion von Lithium, Silber und/oder Kalium und einem dreiwertigen Ion von Lanthan, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium. Zusätzlich betrifft die Erfindung eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung und ein Herstellungsverfahren für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Stellelement und ein Hertellungsverfahren für ein Stellelement.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Keramikmaterial für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein Keramikmaterial für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung weist häufig ein metallisiertes keramisches Bauelement aus einem piezoelektrischen Material auf. Das metallisierte keramische Bauelement ist in der Regel so ausgelegt, dass eine angelegte Spannung/Ladung eine Volumenänderung des Bauelements bewirkt und/oder eine auf das Bauelement ausgeübte Kraft eine Spannungsänderung induziert.
  • Das Bauelement der piezoelektrischen Aktor- und/oder Sensorvorrichtung kann beispielsweise aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), aus einem Niobat-basierten Perowskiten, wie z. B. Kalium-Natrium-Niobat (KNN), oder aus einem Barium-Titanbasierten Keramikmaterial (BT) gebildet sein. Des Weiteren wird in der Veröffentlichung ”Dielectric and piezoelectric properties of La2O3 doped (Bi0.5Na0.5)0.92(Ba0.8Sr0.2)0.08TiO3 lead-free piezoelectric ceramics” (R.-C. Zhou; Y.-Z. Liu; X.-M. Meng; J Electroceram (2007); 18: 9–12; DOI 10.1007/s10832-007-9002-0) die Verwendung von (Bi0.5Na0.5)0.92(Ba0.8Sr0.2)0.08TiO3 mit einer Lanthanoxid-Dotierung als piezoelektrisches Material vorgeschlagen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft ein Keramikmaterial für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein Keramikmaterial für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
  • Durch die Komplexdotierung des Keramikmaterials auf der Basis von zumindest Wismut-Natrium-Barium-Strontium-Titanat mit einem (quasi-zweiwertigen) Ionenkomplex aus den Ionen von Lithium, Silber, Kalium, Lanthan, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium sind vorteilhafte piezoelektrische Eigenschaften, gute elektromechanische Kennwerte und/oder eine vergleichsweise hohe Einsatztemperatur für eine Verwendung des Keramikmaterials als piezoelektrisches Material gewährleistet. Unter der vergleichsweise hohen Einsatztemperatur ist eine Temperatur zu verstehen, welche zumindest der Einsatztemperatur des undotierten Materials entspricht. Insbesondere können durch die gemeinsame Dotierung von mindestens einem einwertigen Ion und mindestens einem dreiwertigen Ion der aufgezählten Atome die Vorteile einer Dotierung mit mindestens einem einwertigen Ion und die Vorteile einer Dotierung mit mindestens einem dreiwertigen Ion gemeinsam in ein Grundsystem auf der Basis von zumindest Wismut-Natrium-Barium-Strontium-Titanat eingebracht werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Keramikmaterial eine Konzentration des mindestens einen einwertigen Ions in einem Bereich zwischen 0.1 mol% und 6.0 mol% und eine Konzentration des mindestens einen dreiwertigen Ions einem Bereich zwischen 0.1 mol% und 6.0 mol% auf. Bei derartigen Konzentrationen ist insbesondere ein vorteilhafter piezoelektrischer Koeffizient des Keramikmaterials, d. h. eine vergleichsweise große Volumenänderung bei einer angelegten Spannungänderung/Ladungsänderung, gewährleistet. Zusätzlich ist bei derartigen Konzentrationen eine gute Funktionsfähigkeit des Keramikmaterials als piezoelektrisches Material bei einer vergleichsweise hohen Einsatztemperatur gewährleistet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Keramikmaterial als Komplexdotierung Ionenkomplexe mit Lithium- und Lanthanionen auf. Durch die gemeinsame Verwendung von Lithium- und Lanthanionen bei der Dotierung lassen sich die Vorteile einer Lithium-Dotierung und die Vorteile einer Lanthan-Dotierung kombinieren. Beispielsweise ist bei einer Komplexdotierung mit einem quasi-zweiwertigen Lithium-Lanthan-Ionenkomplex des Keramikmaterials ein besserer Piezokoeffizient im Verhältnis zu einer Lithium-Dotierung oder einer Lanthan-Dotierung gewährleistet. Zusätzlich begünstigt die Verwendung der Lanthanionen bei der Co-Dotierung die Mikrostruktur des Keramikmaterials, insbesondere eine Verdichtung während eines Sintern des Keramikmaterials. Gleichzeitig gewährleistet die Verwendung von Lithium bei der Co-Dotierung eine Absenkung der Sintertemperatur. Des Weiteren kompensieren die Lithiumionen einen die Betriebstemperatur reduzierenden Einfluss der Lanthanionen. Somit ist mittels der (Li+La3+)2+-Dotierung eine Erhöhung der Einsatztemperatur realisierbar.
  • Die Konzentration der Lithiumionen kann von der Konzentration der Lanthanionen abweichen. Durch die Verwendung von Ionen von Silber, Kalium, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium sind die piezoelektrischen Eigenschaften, die elektromechanischen Kennwerte und/oder die Einsatztemperatur zusätzlich verbesserbar.
  • Bevorzugter Weise weist das Keramikmaterial ein Mischungsverhältnis a1(Bi0.5Na0.5TiO3) + a2(BaTiO3) + a3(SrTiO3) von Wismut-Natrium-Titanat, Barium-Titanat und Strontium-Titanat auf, wobei ein Punkt P0(a1, a2, a3) in einer Fläche eines von den Punkten P1(a1 = 0.499, a2 = 0.001, a3 = 0.500), P2(a1 = 0.998, a2 = 0.001, a3 = 0.0.001) und P3(a1 = 0.500, a2 = 0.499, a3 = 0.0.001) aufgespannten Dreiecks liegt. Eine derartige Ausbildung des Keramikmaterials ist hinsichtlich der realisierbaren piezoelektrischen Eigenschaften und/oder der Einsatztemperatur besonders vorteilhaft.
  • Bevorzugterweise sind mindestens 10% der dotierten einwertigen Ionen in einer Natrium-Kristallgitterposition und mindestens 10% der dotierten dreiwertigen Ionen in einer Wismut-Kristallgitterposition angeordnet. Vorteilhafterweise sind mindestens 50%, insbesondere mindestens 90% der dotierten einwertigen und/oder dreiwertigen Ionen in der Natrium-Kristallgitterposition oder in der Wismut-Kristallgitterposition eingebaut.
  • Zusätzlich ist auch eine Ausführungsform des Keramikmaterials möglich, bei welcher mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 50%, insbesondere mindestens 90%, der dotierten Ionenkomplexe in einer Barium-Strontium-Kristallgitterposition angeordnet sind.
  • Des Weiteren können mindestens 10% der dotierten einwertigen Ionen in einer Natrium-Kristallgitterposition und mindestens 10% der dotierten dreiwertigen Ionen in einer Barium-Kristallgitterposition angeordnet sein. Vorzugsweise liegen die prozentualen Anteile der in der Natrium-Kristallgitterposition eingebauten einwertigen Ionen und der in der Barium-Kristallgitterposition angeordneten dreiwertigen Ionen bei mindestens 50%, insbesondere bei mindestens 90%.
  • Durch das gezielte Anordnen der dotierten Ionenkomplexe in diesen Kristallgitterpositionen können die Eigenschaften des Keramikmaterials gezielt optimiert werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Keramikmaterial (Bi0.5-xNa0.5-yXxYy)0.85Ba0.12Sr0.03TiO3, (Bi0.5Na0.5)0.85(Ba0.12Sr0.03)1-20/3(x+y)XxYyTiO3 oder (Bi0.5Na0.5-yYy)0.85(Ba0.12Sr0.03)1-20x/3XxTiO3 ist, mit X als dem dreiwertigen Ion von Lanthan, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium und Y als dem einwertigen Ion von Lithium, Silber und/oder Kalium, wobei x = y = [1 bis 6 mol%]. Insbesondere ist bei dieser Zusammensetzung mittels der (Li+La3+)2+-Dotierung die Sintertemperatur um bis zu 100°C absenkbar.
  • Das erfindungsgemäße Keramikmaterial ist gegenüber Prozessschwankungen bei der Herstellung sehr stabil. Die Herstellung des Keramikmaterials ist somit leicht ausführbar und kostengünstig.
  • Des Weiteren weist das Keramikmaterial eine gute Langzeitstabilität auf. Das Keramikmaterial ist deshalb anstelle eines bleihaltigen piezoelektrischen Materials für viele Anwendungsmöglichkeiten verwendbar.
  • Die in den vorhergehenden Absätzen beschriebenen Merkmale sind auch bei einer piezoelektrischen Aktor und/oder Sensorvorrichtung, z. B. bei einem Stellelement, vorteilhaft. Das Stellelement kann beispielsweise eine Komponente eines Einspritzventils sein.
  • Die beschriebenen Vorteile sind auch bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren für ein Keramikmaterial für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung gewährleistet. Zusätzlich sind über die Verwendung des Keramikmaterials und/oder die Verwendung des Herstellungsverfahrens für ein Keramikmaterial eine vorteilhafte piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung und ein verbessertes Stellelement herstellbar. Ein derartiges Herstellungsverfahren kann auch bei der Herstellung eines Einspritzventils berücksichtigt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Flussdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der piezoelektrischen Aktor und/oder Sensorvorrichtung; und
  • 3A bis 3E Koordinatensysteme zum Darstellen von Eigenschaften elf ausgewählter Beispiele für das Keramikmaterial.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
  • In einem optionalen Verfahrensschritt S1 wird ein Material auf einer Basis von zumindest Wismut-Natrium-Barium-Strontium-Titanat gebildet. Dabei kann ein Mischungsverhältnis a1(Bi0.5Na0.5TiO3) + a2(BaTiO3) + a3(SrTiO3) von Wismut-Natrium-Titanat, Barium-Titanat und Strontium-Titanat festgelegt werden, wobei die einzelnen Mengenkomponenten a1, a2 und a3 so festgelegt sind, dass ein Punkt P0(a1, a2, a3) in einer Fläche eines von den Punkten P1(a1 = 0.499, a2 = 0.001, a3 = 0.500), P2(a1 = 0.998, a2 = 0.001, a3 = 0.0.001) und P3(a1 = 0.500, a2 = 0.499, a3 = 0.0.001) aufgespannten Dreiecks liegt. Vorzugsweise wird das Keramikmaterial mit der Zusammensetzung (Bi0.5Na0.5)0.85Ba0.12Sr0.03TiO3 (BNBST-12-3) oder (Bi0.5Na0.5)0.92(Ba0.8Sr0.2)0.08TiO3 gebildet.
  • Das hier beschriebene Verfahren ist jedoch auch ohne den Verfahrensschritt S1 ausführbar. Anstelle eines Bildens des Materials kann auch auf ein bereits fertiges Material auf der Basis von zumindest Wismut-Natrium-Barium-Strontium-Titanat für den Verfahrensschritt S2 verwendet werden.
  • In dem Verfahrensschritt S2 wird das Material auf der Basis von zumindest Wismut-Natrium-Barium-Strontium-Titanat mit Ionenkomplexen mit einem einwertigen Ion von Lithium, Silber und/oder Kalium und einem dreiwertigen Ion von Lanthan, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium dotiert. Vorzugsweise wird bei dem Dotieren eine Konzentration des mindestens einem einwertigen Ions in einem Bereich zwischen 0.1 mol% und 6.0 mol% und eine Konzentration des mindestens einem dreiwertigen Ions in einem Bereich zwischen 0.1 mol% und 6.0 mol% dotiert. Bevorzugterweise wird die Komplexdotierung so ausgeführt, dass die Konzentration des mindestens einem einwertigen Ions und/oder die Konzentration des mindestens einem dreiwertigen Ions in einem Bereich zwischen 1.0 mol% und 4.0 mol%, insbesondere in einem Bereich zwischen 2.5 mol% und 4.0 mol%, liegen.
  • Bevorzugterweise werden in dem Verfahrensschritt S2 zumindest Lithium- und Lanthanionen für die Komplexdotierung verwendet. Durch die Verwendung von Lithium- und Lanthanionen bei der Komplexdotierung ist ein Keramikmaterial herstellbar, welches einen vorteilhaften Piezokoeffizienten, eine vergleichsweise niedrige Sintertemperatur und/oder eine relativ hohe Einsatztemperatur bei einer Verwendung als piezoelektrisches Material aufweist. Ein derartiges Keramikmaterial lässt sich vorteilhaft zum Bilden eines sensitiven Elements eines piezoelektrischen Sensors oder eines variablen Elements eines piezoelektrischen Aktors verwenden.
  • Zusätzlich kann als Ergänzung zu der Lithium- und Lanthan-Komplexdotierung eine Zudotierung von Eisenionen, Silberionen, Kaliumionen, Yttriumionen, Ytterbiumionen und/oder Aluminiumionen zur Reduzierung der Sintertemperatur, zur Steigerung der Betriebstemperatur und/oder zur Verbesserung des piezoelektrischen Koeffizienten in dem Verfahrenschritt S2 ausgeführt werden.
  • Das Dotieren des Materials mit Ionenkomplexen kann in dem Verfahrensschritt S2 so ausgeführt werden, dass die Ionen gezielt in eine Wismut- und Natrium-Kristallgitterposition, in eine Barium- und Strontium-Kristallgitterposition oder in eine Barium- und Natrium-Kristallgitterposition eingebaut werden. Die Vorteile einer derartigen Ausführung des Verfahrensschritts S2 werden anhand der unten beschriebenen 3A bis 3E deutlich.
  • Das mittels des Flussdiagramms der 1 wiedergegebene Verfahren kann Bestandteil eines Herstellungsverfahrens für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung sein.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der piezoelektrischen Aktor und/oder Sensorvorrichtung.
  • Die schematisch dargestellte piezoelektrische Aktor und/oder Sensorvorrichtung weist mindestens einen Piezokristall 10 auf, welcher als sensitives Element oder als variables Element ausgebildet ist. Sofern der Piezokristall 10 als sensitives Element fungiert, ist eine zugeordnete Betreibereinrichtung 12 dazu ausgelegt, eine Spannung U an dem Piezokristall abzugreifen und unter Berücksichtigung der abgegriffenen Spannung U eine auf den Piezokristall 10 einwirkende Kraft, bzw. eine entsprechende physikalische Größe, festzulegen. Bei einem als variables Element ausgebildeten Piezokristall 10 ist die Betreibereinrichtung 12 derart ausgelegt, dass mittels der Betreibereinrichtung 12 die Spannung U/eine Ladung an dem Piezokristall 10 anlegbar ist, wobei mittels der angelegten Spannung U/der Ladung eine Volumenänderung des Piezokristalls 10 initiierbar ist.
  • Die schematisch wiedergegebene Aktor- und/oder Sensorvorrichtung kann beispielsweise eine Untereinheit eines Stellelements sein. Es wird darauf hingewiesen, dass die Verwendbarkeit des hier beschriebenen Piezokristalls 10 nicht auf die Aktorik eines Stellelements beschränkt ist. Stattdessen ist das nachfolgend genauer beschriebene Keramikmaterial des Piezokristalls generell für Piezosensor-Erzeugnisse und Piezoaktor-Erzeugnisse, beispielsweise auch für einen piezoelektrischen Antrieb, verwendbar.
  • Mittels der nachfolgend genauer beschriebenen Ausführung des Piezokristalls 10 ist eine präzise und schnelle Volumenänderung/Auslenkung des Piezokristalls 10 unter Freisetzung vergleichsweise hoher Kräfte gewährleistet, was eine vorteilhafte Funktionsweise der piezoelektrischen Aktor- und/oder Sensorvorrichtung gewährleistet:
    Der Piezokristall 10 besteht aus einem Keramikmaterial auf einer Basis von zumindest Wismut-Natrium-Barium-Strontium-Titanat mit einer Komplexdotierung mit Ionenkomplexen mit einem einwertigen Ion von Lithium, Silber und/oder Kalium und einem dreiwertigen Ion von Lanthan, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium. Vorzugsweise liegt die Konzentration des mindestens einen einwertigen Ions in einem Bereich zwischen 0.1 mol% und 6.0 mol%. Auch für das mindestens eine dreiwertige Ion ist eine Konzentration in einem Bereich zwischen 0.1 mol% und 6.0 mol% vorteilhaft. Bevorzugterweise liegen die Konzentration des mindestens einem einwertigen Ions und/oder die Konzentration des mindestens einem dreiwertigen Ions in einem Bereich zwischen 1.0 mol% und 4.0 mol%, insbesondere in einem Bereich zwischen 2.5 mol% und 4.0 mol%.
  • Bevorzugterweise weist das Keramikmaterial ein Mischungsverhältnis a1(Bi0.5Na0.5TiO3) + a2(BaTiO3) + a3(SrTiO3) auf, für welches gilt, dass ein Punkt P0(a1, a2, a3) in einer Fläche eines von den Punkten P1(a1 = 0.499, a2 = 0.001, a3 = 0.500), P2(a1 = 0.998, a2 = 0.001, a3 = 0.0.001) und P3(a1 = 0.500, a2 = 0.499, a3 = 0.0.001) aufgespannten Dreiecks liegt. Insbesondere kann das Keramikmaterial (Bi0.5-xNa0.5-yXxYy)0.85Ba0.12Sr0.03TiO3, (Bi0.5Na0.5)0.85(Ba0.12Sr0.03)1-20/3(x+y)XxYyTiO3 oder (Bi0.5Na0.5-yYy)0.85(Ba0.12Sr0.03)1-20x/3XxTiO3 sein, mit X als dem dreiwertigen Ion von Lanthan, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium und Y als dem einwertigen Ion von Lithium, Silber und/oder Kalium, wobei x = y = [1 bis 6 mol%]. Vorzugsweise gilt x = y = [1 bis 6 mol%]. Ebenso kann das Keramikmaterial die Zusammensetzung (Bi0.5-xNa0.5-yXxYy)0.92(Ba0.8Sr0.2)0.08TiO3, (Bi0.5Na0.5)0.92(Ba0.8Sr0.2)0.8-20/3(x+y)XxYyTiO3 oder (Bi0.5Na0.5-yYy)0.92(Ba0.8Sr0.2)0.8-20x/3XxTiO3 haben. Insbesondere für X = Lanthan und Y = Lithium sind eine vorteilhaft niedrige Sintertemperatur, eine relativ hohe Betriebstemperatur und/oder ein vergleichsweise großer piezoelektrischer Koeffizient bei einer Verwendung als piezoelektrisches Material gewährleistet.
  • Die hier beschriebenen Vorteile sind jedoch nicht auf die Verwendung von Lithium- und Lanthanionen für die Komplexdotierung beschränkt. Anstelle oder als Ergänzung zu der Komplexdotierung mit Lithium- und Lanthanionen kann das Keramikmaterial auch quasi-zweiwertige Ionenkomplexe mit Ionen von Silber, Kalium, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium aufweisen. Dabei sind beliebige Kombinationen der aufgezählten Ionen vorteilhaft. Insbesondere kann das Keramikmaterial auch Kombinationen der aufgezählten Ionen aufweisen, bei welchen eine Lithium-Konzentration ungleich der Lanthan-Konzentration ist. Auf diese Weise können die Verwendungsmöglichkeiten des Keramikmaterials für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung gezielt optimiert werden. Wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben, können die dotierten Ionen gezielt in bestimmten Kristallgitterpositionen des Keramikmaterials angeordnet sein.
  • Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Keramikmaterial des Piezokristalls 10 nicht auf ein bestimmtes Barium-Strontium-Verhältnis festgelegt ist. Beispielsweise können die Bestandteile Barium-Titanat und Strontium-Titanat so variiert sein, dass die Strontium-Konzentration in einem Bereich zwischen 0 bis 25 mol% und/oder die Barium-Konzentration in einem Bereich zwischen 0 bis 50 mol% liegen.
  • Vorzugsweise ist das Keramikmaterial des Piezokristalls 10 ein bleifreies Keramikmaterial. Da die oben aufgezählten Materialien einen guten piezoelektrischen Koeffizienten und eine relativ hohe Betriebstemperatur bei einer Verwendung als piezoelektrisches Material aufweisen, ist eine Zugabe von Blei nicht erforderlich. Somit sind die Herstellung, die Entsorgung und/oder das Recycling des Keramikmaterials umwelttechnisch problemlos ausführbar.
  • Die Herstellung des Keramikmaterials des Piezokristalls 10 ist beispielsweise mittels des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens leicht und kostengünstig ausführbar.
  • 3A bis 3E zeigen Koordinatensysteme zum Darstellen von Eigenschaften elf ausgewählter Beispiele für das Keramikmaterial.
  • In den Koordinatensystemen der 3A bis 3E entsprechen die Abszissen Spannungen U (in kV/mm), welche an die jeweiligen Keramikmaterialien angelegt werden. Die Ordinaten der Koordinatensysteme der 3A bis 3C geben den für die Spannungen U ermittelten (effektiven) Piezokoeffizienten d (in pm/V) der Keramikmaterialien wieder. In den 3D und 3E geben die Ordinaten eine Ausdehnung Δ der Keramikmaterialien in Promille (0/00) bei einer angelegten Spannung U an.
  • Bei der Untersuchung der elf Beispiele für das Keramikmaterial wurde zu Vergleichszwecken auch der (effektive) Piezokoeffizient d von (Bi0.5Na0.5)0.85Ba0.12Sr0.03TiO3 (BNBST-12-3) für die jeweiligen Spannungen U ermittelt. Die ermittelten Werte des (effektiven) Piezokoeffizienten d für BNBST-12-3 sind als Graph 20 in die Koordinatensysteme der 3A bis 3C eingetragen.
  • Die mittels der weiteren Graphen 30 bis 36, 40 bis 44 und 50 bis 56 wiedergegebenen Beispiele des Keramikmaterials basieren auf einer Basis von Wismut-Natrium-Barium-Strontium-Titanat mit einer Komplexdotierung mit Lithium-Lanthan-Ionenkomplexen. Allerdings wurden unterschiedliche Rezepturen A, B und C bei der Herstellung der insgesamt elf Beispiele verwendet.
  • Die in 3A dargestellten Graphen 30 bis 36 geben den (effektiven) Piezokoeffizienten d für eine Rezeptur A mit einer isovalenten Substitution wieder. Die isovalente Substitution lässt sich über die folgende Zusammensetzung wiedergeben: Rezeptur A: (Bi0.5-xNa0.5-yLaxLiy)0.85Ba0.12Sr0.03TiO3, wobei x = y = [1, 2, 3, 4 mol%].
  • Somit sind bei der Rezeptur A die Lithiumionen vorzugsweise in der Natrium-Kristallgitterposition und die Lanthanionen insbesondere in der Wismut-Kristallgitterposition eingebaut. Die Konzentrationen liegen jeweils bei 1 mol% (Graph 30), 2 mol% (Graph 32), 3 mol% (Graph 34) und 4 mol% (Graph 36).
  • Insbesondere fällt beim Vergleich der Graphen 20 und 30 bis 36 auf, dass in einem Bereich der Spannung U von 3 bis 4 kV/mm alle Zusammensetzungen der Rezeptur A im Vergleich zu BNBST-12-3 einen gesteigerten effektiven Piezokoeffizienten d haben. Die Keramikmaterialien der Graphen 30 bis 36 sind somit im Vergleich zu BNBST-12-3 ferroelektrisch härter.
  • Die Keramikmaterialien der Graphen 40 bis 44 des Koordinatensystems der 3B basieren auf einer Rezeptur B mit einem bevorzugten/gezielten Einbau der Lanthanionen und der Lithiumionen in Barium- und Strontium-Kristallgitterpositionen gemäß: Rezeptur B: (Bi0.5Na0.5)0.85(Ba0.12Sr0.03)1-20/3(x+y)LaxLiyTiO3, wobei x = y = [1, 2, 4 mol%].
  • Die jeweilige Lanthan-Konzentration, welche gleich der Lithium-Konzentration ist, liegt bei 1 mol% (Graph 40), 2 mol% (Graph 42) und 4 mol% (Graph 44).
  • Die Rezeptur B mit Konzentrationen von 1 mol% und 2 mol% (Graphen 40 und 42) weist im Vergleich zu BNBST-12-3 (Graph 20) ein besseres Dehnungsverhalten, insbesondere in einem Bereich der Spannung U zwischen drei bis 4 kV/mm, auf.
  • Eine Rezeptur C bezüglich der Graphen 50 bis 56 ist durch die folgende Zusammensetzung wiedergegebenen: Rezeptur C: (Bi0.5Na0.5-yLiy)0.85(Ba0.12Sr0.03)1-20x/3LaxTiO3, wobei x = y = [1, 2, 3, 4 mol%].
  • Bezielt/bevorzugt sind bei der Rezeptur C die Lithiumionen in den Natrium-Kristallgitterpositionen und die Lanthanionen in den Barium-Kristallgitterpositionen eingebaut. Die gleichen Konzentrationen der Lithiumionen und der Lanthanionen liegen bei 1 mol% (Graph 50), 2 mol% (Graph 52), 3 mol% (Graph 54) und 4 mol% (Graph 56).
  • Wie aus einem Vergleich der Graphen 20 und 50 bis 56 hervorgeht, konnte bei der Rezeptur C für eine Lanthan-Konzentration und eine Lithium-Konzentration von 1 mol% (Graph 50) ein vorteilhaftes Dehnungsverhalten des gewonnenen Keramikmaterials bei einem Bereich der angelegten Spannung U zwischen 3 bis 4 kV/mm festgestellt werden.
  • Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass viele der Keramikmaterialien der Graphen 30 bis 36, 40 bis 44 und 50 bis 56 im Vergleich mit BNBST-12-3 (Graph 20) einen besseren piezoelektrischen Koeffizienten d aufweisen. Vor allem die Rezeptur A mit einer Lanthan-Konzentration und einer Lithium-Konzentration von jeweils 2 mol% (Graph 32) und die Rezeptur C mit einer Lanthan-Konzentration und einer Lithium-Konzentration von jeweils 1 mol% (Graph 50) zeigen im Vergleich mit BNBST-12-3 einen stark gesteigerten (effektive) Piezokoeffizienten d in einem Bereich der Spannung U zwischen 3 bis 4 kV/mm. Somit ist insbesondere eine Verwendung dieser Keramikmaterialien sehr vorteilhaft.
  • Die Graphen 30, 34, 36, 40 bis 44 und 52 bis 56 geben ein typisches ferroelektrisches Verhalten der zugehörigen Keramikmaterialien wieder. Die Graphen 32 und 50 deuten auf ein abweichendes Verhalten, welches als typisch antiferroelektrisch bezeichenbar ist.
  • Die Koordinatensysteme der 3D und 3E geben Dehnungshysteresekurven des Keramikmaterials der Rezeptur A mit einer Lanthan-Konzentration und einer Lithium-Konzentration von jeweils 4 mol% (Graph 60) und des Keramikmaterials der Rezeptur C mit einer Lanthan-Konzentration und einer Lithium-Konzentration von jeweils 1 mol% (Graph 62) wieder.

Claims (14)

  1. Keramikmaterial (10) für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung auf einer Basis von zumindest Wismut-Natrium-Barium-Strontium-Titanat, gekennzeichnet durch eine Komplexdotierung mit Ionenkomplexen mit einem einwertigen Ion von Lithium, Silber und/oder Kalium und einem dreiwertigen Ion von Lanthan, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium.
  2. Keramikmaterial (10) nach Anspruch 1, wobei das Keramikmaterial (10) eine Konzentration des mindestens einen einwertigen Ions in einem Bereich zwischen 0.1 mol% und 6.0 mol% und eine Konzentration des mindestens einen dreiwertigen Ions einem Bereich zwischen 0.1 mol% und 6.0 mol% aufweist
  3. Keramikmaterial (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Keramikmaterial (10) als Komplexdotierung Ionenkomplexe mit Lithium- und Lanthanionen aufweist.
  4. Keramikmaterial (10) nach Anspruch 3, wobei die Konzentration der Lithiumionen von der Konzentration der Lanthanionen abweicht.
  5. Keramikmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Keramikmaterial (10) ein Mischungsverhältnis a1(Bi0.5Na0.5TiO3) + a2(BaTiO3) + a3(SrTiO3) von Wismut-Natrium-Titanat, Barium-Titanat und Strontium-Titanat aufweist, wobei ein Punkt P0(a1, a2, a3) in einer Fläche eines von den Punkten P1(a1 = 0.499, a2 = 0.001, a3 = 0.500), P2(a1 = 0.998, a2 = 0.001, a3 = 0.0.001) und P3(a1 = 0.500, a2 = 0.499, a3 = 0.0.001) aufgespannten Dreiecks liegt.
  6. Keramikmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens 10% der dotierten einwertigen Ionen in einer Natrium-Kristallgitterposition und mindestens 10% der dotierten dreiwertigen Ionen in einer Wismut-Kristallgitterposition angeordnet sind.
  7. Keramikmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens 10% der dotierten Ionenkomplexe in einer Barium-Strontium-Kristallgitterposition angeordnet sind.
  8. Keramikmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens 10% der dotierten einwertigen Ionen in einer Natrium-Kristallgitterposition und mindestens 10% der dotierten dreiwertigen Ionen in einer Barium-Kristallgitterposition angeordnet sind.
  9. Keramikmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Keramikmaterial (10) (Bi0.5-xNa0.5-yXxYy)0.85Ba0.12Sr0.03TiO3, (Bi0.5Na0.5)0.85(Ba0.12Sr0.03)1-20/3(x+y)XxYyTiO3 oder (Bi0.5Na0.5-yYy)0.85(Ba0.12Sr0.03)1-20x/3XxTiO3 ist, mit X als dem dreiwertigen Ion von Lanthan, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium und Y als dem einwertigen Ion von Lithium, Silber und/oder Kalium, wobei x = y = [1 bis 6 mol%].
  10. Piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung mit einem sensitiven Element und/oder einem variablen Element aus einem Keramikmaterial (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Stellelement mit einem piezoelektrischen Aktor mit einem variablen Element aus einem Keramikmaterial (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  12. Herstellungsverfahren für ein Keramikmaterial (10) für eine Piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung mit dem Schritt: Dotieren eines Materials auf einer Basis von zumindest Wismut-Natrium-Barium-Strontium-Titanat mit Ionenkomplexen mit einem einwertigen Ion von Lithium, Silber und/oder Kalium und einem dreiwertigen Ion von Lanthan, Eisen, Yttrium, Ytterbium und/oder Aluminium.
  13. Herstellungsverfahren für eine piezoelektrische Aktor- und/oder Sensorvorrichtung mit den Schritten: Bilden eines sensitiven Elements und/oder eines variablen Elements aus einem Keramikmaterial (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder durch Herstellen eines Keramikmaterials (10) des sensitiven Elements und/oder des variablen Elements gemäß dem Verfahren nach Anspruch 12.
  14. Herstellungsverfahren für ein Stellelement mit den Schritten: Bilden eines variablen Elements des piezoelektrischen Aktors des Stellelements aus einem Keramikmaterial (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder durch Herstellen eines Keramikmaterials (10) des variablen Elements gemäß dem Verfahren nach Anspruch 12.
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