DE102010019712B9 - Keramischer Werkstoff, Bauelement enthaltend den keramischen Werkstoff, Verwendung des Bauelements und Verfahren zur Herstellung des keramischen Werkstoffs - Google Patents

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Abstract

Keramischer Werkstoff aufweisend die allgemeine Formelwobei 0 < m ≤ 0,01, 0 < c ≤ 0,5, 0,005(1-c) ≤ b ≤ 0,01 und 0,002 ≤ d ≤ 0,05 ist, umfassend:- Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), aufweisend eine Perowskitstruktur,- ein erstes Dotierstoffsystem DS, aufweisend eine Kryolithstruktur, und- ein zweites Dotierstoffsystem DS, aufweisend eine Perowskitstruktur- ein Additiv A, wobei das Additiv A ausgewählt ist aus einer Gruppe, die LiO, CuO und AgO umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen keramischen Werkstoff und ein Bauelement, das den keramischen Werkstoff enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung des Bauelements sowie ein Verfahren zur Herstellung des keramischen Werkstoffs.
  • Keramische Werkstoffe werden beispielsweise bei der Herstellung piezoelektrischer Mehrlagenbauelemente verwendet, die mittels eines Co-Firing-Verfahrens hergestellt werden und zum Beispiel Ag-, Ag/Pd- oder Cu-Innenelektroden enthalten, die zwischen keramischen Schichten angeordnet sind.
  • Piezoelektrische Mehrlagenbauelemente können beispielsweise piezoelektrische Aktuatoren, im Folgenden Piezoaktuatoren, sein, die unter anderem zur Kraftstoffzuführung in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Solche Piezoaktuatoren enthalten typischerweise eine Perowskitkeramik mit einer ABO3-Struktur, die Blei-Zirkonat-Titanat (PZT, Pb(Zr1-y Tiy)O3) sein kann.
  • Aus DE 10 2007 010 239 A1 und der nicht vorveröffentlichten DE 2009 058 795 A1 sowie aus Chung et al. (J. Vac. Sci. Technol. A 23(4), 2005, 820-823) und Lee et al. (Mat. Chem. Phys. 90, 2005, 381-385) sind piezoelektrische Materialien bekannt.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen keramischen Werkstoff anzugeben, der gegenüber bekannten keramischen Werkstoffen verbesserte Eigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird durch einen keramischen Werkstoff gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des keramischen Werkstoffs, ein Verfahren zu seiner Herstellung, ein Bauelement enthaltend den keramischen Werkstoff sowie die Verwendung des Bauelements sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein keramischer Werkstoff bereitgestellt, der Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), das als Wirtsgitter fungiert und eine Perowskitstruktur aufweist, umfasst. Der keramische Werkstoff umfasst weiterhin ein erstes Dotierstoffsystem DS1, das eine Kryolithstruktur aufweist, sowie ein zweites Dotierstoffsystem DS2, das eine Perowskitstruktur aufweist.
  • Der keramische Werkstoff weist eine verbesserte Gefügestruktur auf. Die Gefügestruktur bildet sich während der thermischen Prozessierung aus, typischerweise in einem Temperaturbereich von etwa 900°C bis 1150°C.
  • Die Sintertemperatur wird bei der Herstellung von Mehrlagenbauelementen dabei bevorzugt an das Innenelektrodenmaterial angepasst, zum Beispiel ca. 900°C für Ag-Innenelektroden, ca. 1000°C für Cu-Innenelektroden und bis zu etwa 1150°C für Ag/Pd-Innenelektroden. Werden Cu-Innenelektroden verwendet, ist zudem eine sauerstoffarme thermische Prozessführung erforderlich, die eine nahezu vollständige Eliminierung der organischen Bestandteile, wie beispielsweise Binder, aus entsprechenden Mehrlagengrünkörpern, das heißt den Schichten aus dem noch ungesinterten keramischen Werkstoff, ermöglicht.
  • Weiterhin kann die Sinteraktivität des keramischen Werkstoffs höher eingestellt werden, womit die Ausbildung eines Keramikgefüges mit hoher Dichte, beispielsweise größer als 95%, ermöglicht wird. Gleichzeitig kann eine ausreichende Korngröße des piezoelektrischen Materials von beispielsweise ≥ 1 µm unter den Bedingungen eines Co-Firing-Verfahrens mit den verschiedenen Innenelektroden-Materialien bei entsprechenden Temperaturen ermöglicht werden.
  • Der keramische Werkstoff kann ein ferroelektrisches, piezoelektrisches Material sein, das weitgehend frei von ungewünschten Defekten ist und ausreichend mobile Domänenwände, deren Mobilität weitgehend reversibel ist, im elektrischen Feld aufweist.
  • Die ferroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften des keramischen Werkstoffs sind weitgehend stabil.
  • In dem ferroelektrischen piezoelektrischen keramischen Werkstoff, können eine hohe dynamische Dehnung, eine hohe Steifigkeit, geringe dielektrische Verluste, eine angemessene Kapazität, eine angemessene Curie-Temperatur sowie eine niedrige Sintertemperatur kombiniert sein.
  • Das Blei-Zirkonat-Titanat, also das PZT Material, das in dem keramischen Werkstoff enthalten ist, weist formal die Formel Pb(Zr1-yTiy)O3 mit 0,3 ≤ 1 - y ≤ 0,6 auf. y kann auch aus dem Bereich 0,4 ≤ 1-y ≤ 0,6 ausgewählt sein. Dieses PZT Material ist das die ferroelektrische Eigenschaft maßgeblich tragende Material in dem keramischen Werkstoff, dem die Dotierstoffsysteme zugesetzt werden. Der Wert von y kann dabei auf die morphotrope Phasengrenze (MPB) eingestellt werden, bei der der keramische Werkstoff besonders vorteilhafte piezoelektrische und ferroelektrische Eigenschaften aufweist.
  • Das erste Dotierstoffsystem DS1 kann formal die allgemeine Formel [(M1O)1-p(M2O)p]a[Nb2O5]1-a aufweisen. M1 ist ausgewählt aus einer Gruppe, die Ba und Sr umfasst, und M2 ist ausgewählt aus einer Gruppe, die Ca und Sr umfasst. Es gilt 1 > a > 2/3 und 1 > p > 0.
  • Durch die Zugabe des ersten Dotierstoffsystems DS1, das eine große Phasenbreite aufweist, kann während des Sinterns der Ausgangsmaterialien des keramischen Werkstoffs eine vergleichsweise hohe, temporäre Sauerstoffleerstellenkonzentration ausgebildet werden, die zu einer genügend großen Korngröße und der Ausbildung eines defektarmen Gefüges führt. Während des Abkühlens nach dem Sintern ist die Sauerstoffleerstellenkonzentration rückläufig und kann im fertigen keramischen Werkstoff weitgehend aufgehoben werden.
  • Durch vorwiegend temperaturabhängige, chemische Reaktionen zwischen dem PZT Material und dem ersten Dotierstoffsystem DS1 wird ein PZT-Mischkristallsystem mit verbesserten ferroelektrischen Eigenschaften und sehr niedriger Sauerstoffleerstellenkonzentration gebildet.
  • Das zweite Dotierstoffsystem DS2 kann formal die allgemeine Formel für auf Pb basierende Relaxor-Systeme mit komplexer Perowskitstruktur Pb(M3,M4)O3 aufweisen. M3 kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Mg, Fe, Mn, Zn, Ni und Sc umfasst, M4 kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Nb, Ta, Sb und W umfasst. M3 kann zum Beispiel ein zweiwertiges oder dreiwertiges Metallkation sein, während M4 ein fünfwertiges oder sechswertiges Metallkation sein kann. Auch die Kombination von anderweitigen Metallkation-Kombinationen aus M3 und M4 ist denkbar. Beispiele für solche Systeme sind Pb(Zn1/3Nb2/3)O3, Pb(Sc1/2Ta1/2)O3 oder Pb(Mg1/2W1/2)O3.
  • Das zweite Dotierstoffsystem DS2, das eine Perowskitstruktur aufweist, passt sich besonders gut an das Wirtsgitter des PZT an, sodass keine oder zumindest nur eine geringfügige Störung des Wirtsgitters durch die Zugabe des zweiten Dotierstoffsystems DS2 auftritt.
  • Durch die zusätzliche Dotierung des keramischen Werkstoffs, der das PZT Material und das erste Dotierstoffsystem DS1 enthält, mit dem Dotierstoffsystem DS2 können die piezoelektrischen und ferroelektrischen Materialeigenschaften der gesinterten Keramik beispielsweise im Hinblick auf eine höhere dynamische Dehnung im Vergleich zu herkömmlichen keramischen Werkstoffen verbessert werden.
  • Das zweite Dotierstoffsystem DS2 mit komplexer Perowskitstruktur weist Relaxor-Eigenschaften auf, was bei Dotierung des Werkstoffs mit dem zweiten Dotierstoffsystem DS2 zu einem komplexen perowskitartigen PZT-Mischkristallsystem führt. Unter Relaxor-Eigenschaften wird beispielsweise eine breite, stark frequenzabhängige hohe dielektrische Permittivität verstanden.
  • In dem keramischen Werkstoff kann weiterhin ein Additiv A vorhanden sein. Das Additiv A kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Li2O, Cu2O und Ag2O umfasst. Anstatt der Oxide können als Ausgangsstoffe für den keramischen Werkstoff beispielsweise auch die Carbonate der entsprechenden Metalle für die Herstellung des keramischen Werkstoffs bereitgestellt werden, die sich dann während der thermischen Prozessierung (beispielsweise während des Kalzinierens und/oder des Sinterns) in die entsprechenden Oxide umwandeln.
  • Wird dem keramischen Werkstoff zusätzlich zu den Dotierstoffsystemen ein Additiv A hinzugefügt, erhält man ein Material, das eine hohe dynamische Dehnung aufweist und gleichzeitig bei niedrigeren Temperaturen als die herkömmlichen keramischen Werkstoffe gesintert werden kann. Es wird also eine Kombination von verbesserten ferroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften mit hoher Stabilität dieser Eigenschaften bei gleichzeitig niedriger Sintertemperatur von weniger als 1000 °C bereitgestellt. Die Sintertemperatur für die Ausgangsmaterialien des keramischen Werkstoffs kann beispielsweise auf weniger als 1000°C, bevorzugt auf weniger als 900°C abgesenkt werden. Durch die niedrigere Sintertemperatur kann beispielsweise Pd-armes Ag, reines Ag oder Cu für die Herstellung von zwischen den Keramikschichten angeordneten Elektroden eines Piezoaktuators verwendet werden. Weiterhin bewirkt eine niedrigere Sintertemperatur eine Energieersparnis im Herstellungsverfahren der Keramik bzw. der Piezoakturatoren.
  • Der keramische Werkstoff kann die allgemeine Formel [PZT]1-c[DS1]b[DS2]c[PbO]d[A]m aufweisen. In der Formel gilt 0 ≤ m ≤ 0,01, 0 < c ≤ 0,5, 0,005(1-c) ≤ b ≤ 0,01 und 0,002 ≤ d ≤ 0,05. Es liegt also ein komplexer keramischer Werkstoff vor, der ein PZT, ein erstes Dotierstoffsystem DS1, ein zweites Dotierstoffsystem DS2 und optional ein Additiv A enthält. Das erste Dotierstoffsystem DS1 weist eine Kryolithstruktur auf, das zweite Dotierstoffsystem DS2 eine Perowskitstruktur.
  • Die oben angegebenen formalen Strukturformeln der einzelnen Bestandteile des keramischen Werkstoffs sind im gesinterten Zustand des Werkstoffs typischerweise mit Standardanalysemethoden nicht unterscheidbar, da die einzelnen Komponenten weitgehend eine feste Lösung, also ein Mischkristallsystem bilden. Vielmehr kann die allgemeine Formel der gesinterten Keramik festgestellt werden. Das Additiv A kann sich, wenn es im Überschuss zugegeben wurde, unter Umständen phasenseparieren.
  • Der keramische Werkstoff kann mit weiteren Komponenten, die mit der Perowskitstruktur des PZT Materials kompatibel sind, Mischkristalle bilden, die in Kombination mit den Dotierstoffsystemen DS1 und DS2 sowie dem optionalen Additiv A eine in weiten Grenzen variable Zusammensetzung ermöglicht. Beispielsweise kann dem Werkstoff Pb(FeIII 2/3WVI 1/3)O3) zugesetzt werden.
  • Der keramische Werkstoff kann bei Zusatz eines Additivs A, in der oben genannten allgemeinen Formel bei m ≠ 0, eine Sintertemperatur von weniger oder gleich 1000°C, auch von weniger oder gleich 900°C aufweisen.
  • Der piezoelektrische Dehnungskoeffizient d33 gemessen bei einem elektrischen Feld E = 2 kV/mm, der ein Maß für die dynamische Dehnung des Werkstoffs ist, kann größer als 780 pm/V sein. Beispielsweise kann er nach Sinterung bei 1100 bis 1150°C größer als 900 pm/V sein, wenn der keramische Werkstoff wie oben erläutert zusammengesetzt ist. Ist ein Additiv A vorhanden, kann nach Sinterung bei 900°C der piezoelektrische Dehnungskoeffizient d33 größer als 780 pm/V, insbesondere größer als 790 pm/V, sein (jeweils gemessen bei E = 2 kV/mm).
  • Es wird weiterhin ein Bauelement bereitgestellt, das zumindest einen keramischen Grundkörper und zumindest zwei auf dem Grundkörper angeordnete Elektroden aufweist, wobei der Grundkörper mindestens einen keramischen Werkstoff gemäß den obigen Ausführungen aufweist.
  • Der Grundkörper kann eine Vielzahl von übereinander angeordneten Keramikschichten enthaltend den keramischen Werkstoff mit dazwischen angeordneten Elektroden umfassen, wobei die Elektroden aus den übereinander angeordneten Keramikschichten herausführen und über Außenelektroden kontaktiert sind.
  • Ein solches Bauelement kann beispielsweise als Piezoaktuator verwendet werden. Weiterhin kann ein solches Bauelement innerhalb eines modulartigen Komponentensystems, beispielsweise eines Arrays, vorhanden sein.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstoffs mit den oben genannten Eigenschaften bereitgestellt. Das Verfahren weist die Verfahrensschritte A) Mischen und Kalzinieren von Ausgangsstoffen und/oder Precursoren des ersten Dotierstoffsystems DS1, des zweiten Dotierstoffsystems DS2 und des Blei-Zirkonat-Titanats (PZT) und den Verfahrensschritt B) Sintern des im Verfahrensschritt A) hergestellten Materials auf.
  • Der Verfahrensschritt A) kann in drei Varianten durchgeführt werden.
  • In einer ersten Variante werden alle Ausgangsstoffe, also die Ausgangsstoffe des PZT, die des ersten Dotierstoffsystems DS1 und die des zweiten Dotierstoffsystems DS2 gemischt, homogenisiert und kalziniert.
  • Ausgangsstoffe für das PZT umfassen beispielsweise Pb3O4, PbO, ZrO2 und TiO2. Für das erste Dotierstoffsystem DS1 sind beispielhafte Ausgangsstoffe SrCO3 und Nb2O5.
  • Für das zweite Dotierstoffsystem DS2 können Ausgangsstoffe Pb3O4, PbO, Nb2O5 und NiCO3 umfassen, wenn das zweite Dotierstoffsystem DS2 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 enthält. Wenn das zweite Dotierstoffsystem DS2 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 aufweist, umfassen die Ausgangsstoffe Pb3O4, PbO, Nb2O5 und MgCO3. Für Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 als zweites Dotierstoffsystem DS2 umfassen die Ausgangsstoffe Pb3O4, PbO, Nb2O5 und ZnO. Dementsprechend werden weitere Ausgangsstoffe für weitere zweite Dotierstoffsysteme DS2 ausgewählt.
  • In einer zweiten Variante werden die Ausgangsstoffe des PZT, des ersten und des zweiten Dotierstoffsystems getrennt voneinander gemischt, homogenisiert und kalziniert. Danach werden alle Materialien gemischt, homogenisiert und im Verfahrensschritt B) gesintert.
  • Die dritte Variante sieht vor, die Ausgangsstoffe des PZT und des ersten Dotierstoffsystems DS1 zusammen mit einem Precursor des zweiten Dotierstoffsystems DS2 zu mischen und zu kalzinieren. Unter Precursor ist in diesem Zusammenhang eine Vorstufe des zweiten Dotierstoffsystems zu verstehen, in dem die Perowskitstruktur bereits weitgehend vorgegeben ist. Das hat den Vorteil, dass beim Kalzinieren nicht ungewollt andere Strukturtypen als die Perowskitstruktur entstehen. Beispielsweise kann die Entstehung einer nicht piezoelektrischen Pyrochlorstruktur zumindest weitgehend verhindert werden.
  • Als Precursor für ein zweites Dotierstoffsystem DS2, das die Formel Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 aufweist, kann NiNb2O6 eingesetzt werden.
  • Weist das zweite Dotierstoffsystem DS2 die Formel Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 auf, kann als Precursor MgNb2O6 eingesetzt werden.
  • Für ein zweites Dotierstoffsystem DS2, das die Formel Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 aufweist, kann als Precursor ZnNb2O6 eingesetzt werden.
  • Diese dritte Variante des Verfahrens kann beliebig variiert werden. So können Precursor für das erste Dotierstoffsystem DS1 und/oder das zweite Dotierstoffsystem DS2 und/oder das PZT-Material darin eingesetzt werden.
  • Das Verfahren kann weiterhin den Verfahrensschritt A1) nach dem Verfahrensschritt A) aufweisen, in dem zu dem im Verfahrensschritt A) hergestellten Material das Additiv A oder ein Ausgangsstoff des Additivs A zugegeben wird. Das Additiv A wird mit dem im Verfahrensschritt A) hergestellten Material homogenisiert.
  • Damit wird das Additiv A im Verfahrensschritt A) erst zugegeben, wenn die Mischung im Verfahrensschritt A) bereits kalziniert worden ist. Damit wird die Eigenschaft des Additivs A, die Sintertemperatur zu erniedrigen, für das Sintern im Verfahrensschritt B) weitgehend erhalten.
  • Mit einem analogen Verfahren kann auch ein Bauelement hergestellt werden. Dabei wird vor dem Verfahrensschritt B) in einem Verfahrensschritt A2) aus dem kalzinierten Material eine keramische Folie hergestellt. Diese Folie wird mit Elektrodenmaterial, beispielsweise Pd-armes Ag, reines Ag, oder Cu, strukturiert oder unstrukturiert bedruckt und die Folien dann laminiert. Schließlich werden die laminierten keramischen Folien entbindert und zusammen mit dem Elektrodenmaterial, beispielsweise in einem Co-Firing-Verfahren, gesintert.
  • Anhand der Figur und der Ausführungsbeispiele sollen die beschriebenen Gegenstände noch näher erläutert werden.
    • 1 schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Bauelements.
  • 1 zeigt die schematische Seitenansicht eines piezoelektrischen Bauelements 1, das eine Vielzahl von übereinander angeordneten Keramikschichten 2 mit dazwischen angeordneten Elektroden 3 umfasst. Die Elektroden 3 führen aus den übereinander angeordneten Keramikschichten 2 heraus und sind über seitlich angebrachte Außenelektroden 4 kontaktiert. Die übereinander angeordneten Keramikschichten weisen eine Keramik auf, die aus dem keramischen Werkstoff, der ein PZT Material, ein erstes Dotierstoffsystem DS1, ein zweites Dotierstoffsystem DS2 und optional ein Additiv A umfasst. Durch die verbesserten Eigenschaften des keramischen Werkstoffs, wie sie oben erläutert worden sind, weist auch der Piezoaktuator verbesserte Eigenschaften auf.
  • Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele und deren Eigenschaften im Vergleich zu einer Referenzkeramik dargestellt (VO bezeichnet darin jeweils eine Sauerstoffleerstelle). Ein Beispiel für eine Referenzkeramik lautet [Pb(Zr0,53Ti0,47)O3]1[Sr4(Sr5/3Nb7/3)O11,5VO,0,5]0,005 [PbO]0,02 auf, was einer allgemeinen Strukturformel [PZT]1[DS1]0,005[PbO]0,02 entspricht. Diese Zusammensetzung ist bei 1100°C gesintert. An daraus hergestellten keramischen Plättchen wird bei einer Feldstärke von E = 2 kV/mm ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 780 pm/V gemessen.
  • Im Vergleich dazu weist ein ferroelektrischer keramischer Werkstoff mit einem ersten und einem zweiten Dotierstoffsystem DS1 und DS2 die Zusammensetzung [Pb(Zr0,48Ti0,52)O3]0,8[Pb(Ni1/3Nb2/3)O3]0,2[Sr4(Sr5/3Nb7/3) O11,5VO;0,5]0,005[PbO]0,02 auf. An daraus hergestellten keramischen Plättchen wird bei einer Feldstärke von E = 2 kV/mm ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 900 pm/V gemessen. Damit wird der Wert von d33 gegenüber der Referenzkeramik um zirka 15,4 % erhöht.
  • Ein Beispiel für einen ferroelektrischen keramischen Werkstoff mit erstem und zweitem Dotierstoffsystem DS1 und DS2 und einem Additiv A ist folgende Zusammensetzung: [Pb(Zr0,455Ti0,545)O3]0,7[Pb(Ni1/3Nb2/3)O3]0,3[Sr4(Sr5/3 Nb7/3)O11,5VO;0,5]0,005[PbO]0,02[Cu2O]0,0025. Dieser Werkstoff kann bei 900°C gesintert werden und weist bei einer elektrischen Feldstärke von E = 2 kV/mm einen piezoelektrischen Dehnungskoeffizienten von d33 = 790 pm/V auf.
  • Ein weiteres Beispiel dazu weist folgende Zusammensetzungen auf: [Pb(Zr0,455Ti0,545)O3]0,7[Pb(Ni1/3Nb2/3)O3]0,3[Sr4(Sr5/3 Nb7/3)O11,5VO;0,5]0,005[PbO]0,02[Li2O]0,0025. Nach einer Sinterung bei 900°C kann an dieser Keramik bei einer Feldstärke von E = 2 kV/mm ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 805 pm/V gemessen werden.
  • Eine weiterer beispielhafter ferroelektrischer keramischer Werkstoff mit erstem und zweitem Dotierstoffsystem DS1 und DS2 und dem Additiv A weist folgende Zusammensetzungen auf: [Pb(Zr0,455Ti0,545)O3]0/7[Pb(Ni1/3Nb2/3)O3]0,3[Sr4(Sr5/3 Nb7/3)O11,5VO;0,5]0,005 [PbO] 0,02 [Ag2O]0,0025. Diese Keramik weist nach einer Sinterung bei 1000°C und bei einer elektrischen Feldstärke von E = 2 kV/mm einen piezoelektrischen Dehnungskoeffizienten von d33 = 810 pm/V auf.
  • Ein weiteres Beispiel dazu weist folgende Zusammensetzung auf: [Pb(Zr0,455Ti0,545)O3]0,7[Pb(Ni1/3Nb2/3)O3]0,3[Sr4(Sr5/3 Nb7/3)O11,5VO,0,5]0,005[PbO]0,02[Li2O]0,00125. Nach einer Sinterung bei 1000°C und bei einer elektrischen Feldstärke von E = 2 kV/mm wird ein piezoelektrischer Dehnungskoeffizient von d33 = 830 pm/V gemessen.
  • Es konnte also gezeigt werden, dass bei niedrigen Sintertemperaturen keramische Werkstoffe hergestellt werden können, die verbesserte piezoelektrische und ferroelektrische Eigenschaften und insbesondere eine hohe dynamische Dehnung aufweisen.
  • Die in der Figur gezeigte Ausführungsform kann beliebig variiert werden. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass sich die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern weitere, hier nicht aufgeführte Ausgestaltungen zulässt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Piezoelektrisches Bauelement
    2
    Keramische Schicht
    3
    Elektrode
    4
    Außenelektrode

Claims (11)

  1. Keramischer Werkstoff aufweisend die allgemeine Formel [PZT]1-c[DS1]b[DS2]c[PbO] d[A]m, wobei 0 < m ≤ 0,01, 0 < c ≤ 0,5, 0,005(1-c) ≤ b ≤ 0,01 und 0,002 ≤ d ≤ 0,05 ist, umfassend: - Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), aufweisend eine Perowskitstruktur, - ein erstes Dotierstoffsystem DS1, aufweisend eine Kryolithstruktur, und - ein zweites Dotierstoffsystem DS2, aufweisend eine Perowskitstruktur - ein Additiv A, wobei das Additiv A ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Li2O, Cu2O und Ag2O umfasst.
  2. Keramischer Werkstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das PZT formal die Formel Pb (Zr1-yTiy) O3 mit 0,3 ≤ 1-y ≤ 0,6 aufweist.
  3. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Dotierstoffsystem DS1 formal die allgemeine Formel [(M1O)1-p(M2O)p]a[Nb2O5]1-a aufweist, wobei M1 ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Ba und Sr umfasst, und M2 ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Ca und Sr umfasst, und wobei gilt 1 > a > 2/3 und 1 > p > 0.
  4. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Dotierstoffsystem DS2 formal die allgemeine Formel Pb(M3,M4)O3 aufweist, wobei M3 aus einer Gruppe, die Mg, Mn, Fe, Zn, Ni und Sc umfasst, ausgewählt ist, und M4 mindestens aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Nb, Ta, Sb und W umfasst.
  5. Keramischer Werkstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, der eine Sintertemperatur von ≤ 1000°C aufweist.
  6. Keramischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisend einen piezoelektrischen Dehnungskoeffizienten d33 von > 780 pm/V bei einem Feld E = 2 kV/mm.
  7. Bauelement (1), das zumindest einen keramischen Grundkörper und zumindest zwei auf dem Grundkörper angeordnete Elektroden (3) aufweist, wobei der Grundkörper mindestens einen keramischen Werkstoff gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 aufweist.
  8. Bauelement (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Grundkörper eine Vielzahl von übereinander angeordneten Keramikschichten (2) mit dazwischen angeordneten Elektroden (3) umfasst, wobei die Elektroden (3) aus den übereinander angeordneten Keramikschichten (2) herausführen und über Außenelektroden (4) kontaktiert sind.
  9. Verwendung des Bauelements (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8 als Piezoaktuator.
  10. Verwendung des Bauelements nach einem der Ansprüche 7 oder 8 in einem modulartigen Komponentensystem.
  11. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstoffs umfassend - Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), aufweisend eine Perowskitstruktur, - ein erstes Dotierstoffsystem DS1, aufweisend eine Kryolithstruktur, und - ein zweites Dotierstoffsystem DS2, aufweisend eine Perowskitstruktur - ein Additiv A, wobei das Additiv A ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Li2O, Cu2O und Ag2O umfasst, aufweisend die Verfahrensschritte A) Mischen und Kalzinieren von Ausgangsstoffen und/oder Precursorn des ersten Dotierstoffsystems DS1, des zweiten Dotierstoffsystems DS2 und des Blei-Zirkonat-Titanats (PZT), A1) Zugabe eines Additivs A zu dem im Verfahrensschritt A) hergestellten Material, und B) Sintern des im Verfahrensschritt A) hergestellten Materials.
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