Piezoelektrisches Arbeitsprinzip, Perowskit und Polarisation
Unter Piezoelektrizität versteht man die Eigenschaft bestimmter Kristalle, bei mechanischer Deformation infolge Druck oder Zug elektrische Ladungen freizusetzen (direkter Piezoeffekt). Die Umkehrung dieses Vorgangs, nämlich die Erzeugung mechanischer Deformationen durch elektrische Felder, bezeichnet man als den inversen Piezoeffekt. Die Polarität der Ladung hängt von der Orientierung des Kristalls bezüglich der Richtung des Druckes ab.
Keramiken, die den Piezoeffekt zeigen, gehören zur Gruppe der Ferroelektrika. Heute werden fast ausnahmslos Systeme auf Bleizirkonat-Titanat-Basis (PZT) verwendet, also Mischkristalle aus Bleizirkonat (PbZrO3) und Bleititanat (PbTiO3).
Ein piezokeramisches Bauelement ist ein polykristallines Gebilde, also aus einer Vielzahl von Kristalliten (Domänen) aufgebaut, die wiederum aus einer Vielzahl von Elementarzellen bestehen. Die Elementarzellen dieser ferroelektrischen Keramiken haben die Kristallstruktur des Perowskit, die allgemein mit der Strukturformel A2+B4+O32- beschrieben werden kann.
Zur näheren Erläuterung werden in den folgenden Abbildungen zwei alternative Ansichten einer Elementarzelle der Gitterstruktur gezeigt. Die zweite ist im Vergleich zur vorherigen Abbildung verschoben, sodass die Anionen jetzt in den Flächenzentren des Würfels liegen und sich das vierwertige Kation im Raumzentrum befindet, während die zweiwertigen Kationen an den Ecken des Würfels positioniert sind. Oberhalb der Curietemperatur (Tc) ist dieses Gitter kubisch raumzentriert (Abbildungen).
Unterhalb der Curietemperatur verzerrt sich das Gitter, und es verschieben sich die Ladungsschwerpunkte, wodurch ein permanentes Dipolmoment entsteht (rechte Abbildung). Man spricht hier auch von spontaner Polarisation. Die Verzerrung des Gitters kann bei PZT je nach molarem Zr/Ti-Verhältnis tetragonal oder rhomboedrisch sein.
Bild: Vor, während und nach der Polarisation
Unmittelbar nach dem Sinterprozess des keramischen Körpers zeigen die Domänen (Bereiche mit Elementarzellen einheitlicher Dipolrichtung) eine willkürliche Orientierung mit statistischer Verteilung, sodass der makroskopische Körper isotrop ist und in diesem Zustand keinen piezoelektrischen Effekt zeigt.
Die piezoelektrischen Eigenschaften müssen durch „Polen“ hervorgerufen werden. Unter dem Einfluss eines elektrischen Gleichfeldes werden die elektrischen Dipole in Feldrichtung ausgerichtet (siehe Abbildungen). Diese Orientierung bleibt auch nach Abschalten des elektrischen Gleichfeldes zum großen Teil erhalten (remanente Polarisation). Dies ist die notwendige Voraussetzung für das piezoelektrische Verhalten der ferroelektrischen Keramik.
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