Ermüdungsverhalten von Multilayer-Aktoren aus Piezokeramik:
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Düsseldorf
VDI Verl.
1996
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| adam_text | Titel: Ermüdungsverhalten von Multilayer-Aktoren aus Piezokeramik
Autor: Zickgraf, Bernhard
Jahr: 1996
SCHRITT- m BERICHTE IV|jl Dipl.-Ing. Bernhard Zickgraf, Neckarsulm Ermüdungsverhalten von Multilayer-Aktoren aus Piezokeramik Reihe 13 : Mechanik/ Bruchmechanik Nr. 191 VW VERLAS
V Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung 1 2 Einleitung 5 3 Grundlagen 8 3.1 Linear elastische Bruchmechanik......................... 8 3.2 Unterkritisches Rißwachstum .......................... 10 3.3 Piezoelektrizität und Ferroelektrizität bei Keramiken............. 14 3.4 Piezoelektrische Grundgleichungen ....................... 18 3.5 Kopplungsfaktoren........................ 22 3.6 Bruchmechanik in Ferroelektrika......................... 23 3.6.1 Einfluß des elektrischen Felds...................... 23 3.6.2 Domänen und Rißwachstum....................... 24 3.6.3 Piezoelektrische Kopplung........................ 25 3.7 Impedanzmessungen............................... 26 3.7.1 Einleitung................................. 26 3.7.2 Impedanz einer Piezokeramik...................... 27 3.7.3 Bestimmung von Qm und k p ....................... 29 4 Experimentelle Durchführung 32 4.1 Multilayer-Aktoren................................ 32 4.1.1 Probenbeschreibung ........................... 32 4.1.2 Versuchsaufbau.............................. 34 4.1.3 Variation der Testparameter....................... 36 4.1.4 Zerstörungsfreie Probencharakterisierung................ 37 4.1.4.1 Impedanzmessungen...................... 38 4.1.4.2 Schwingungsformen der Aktoren ............... 39
VI 4.1.4.3 (¿ 33 -Messungen......................... 40 4.1.4.4 Kapazitätsmessungen ..................... 41 4.1.5 Vickers-Eindrücke und Bestimmung der Bruchzähigkeit ....... 42 4.1.6 Zerstörende Probencharakterisierung.................. 43 4.1.7 Fraktografie und Mikroskopie...................... 43 4.2 Modellaktoren................................... 45 4.2.1 Probengeometrie und Präparation.................... 46 4.2.2 Versuchsaufbau.............................. 47 4.2.3 Kapazitätsmessungen........................... 48 4.2.4 Impedanzmessungen........................... 48 4.2.5 Belastungsparameter........................... 49 4.2.6 Schadensanalyse und Fraktografie.................... 50 5 Ergebnisse 61 5.1 Multilayer- Aktoren................................ 51 5.1.1 Kraft- und Wegsignale der Aktoren................... 51 5.1.2 Lebensdauer der Aktoren......................... 56 5.1.3 ¿ 33 -Werte................................. 58 5.1.4 Kapazität der Multilayer- Aktoren.................... 61 5.1.5 Bestimmung der Aktor-Schwingungsformen.............. 64 5.1.6 Auswertung der Impedanzmessungen.................. 66 5.1.6.1 Charge CH13.......................... 67 5.1.6.2 Charge CH16.......................... 71 5.1.6.3 Charge CH17.......................... 74 5.1.6.4 Zusammenfassung....................... 75 5.1.7 Zugversuch eines Aktors......................... 77 5.1.8 Versagenstypen.............................. 80 5.1.9 Bruchbilder und Rißstrukturen ..................... 82
VII 5.1.9.1 Bruchflächen.......................... 82 5.1.9.2 Schliffbilder........................... 84 5.1.10 Vickers-Eindrücke und Bruchzähigkeit................. 89 5.2 Modellaktoren................................... 94 5.2.1 Erreichte Zyklenzahlen.......................... 94 5.2.2 Schadensformen ............................. 95 5.2.3 Impedanzmessungen...........................103 5.2.3.1 Identifizierung von Schwingungsformen............103 5.2.3.2 Impedanzänderungen während des Zyklierens....... 104 5.2.4 Kapazitätsmessungen...........................109 5.2.5 Fraktografie................................112 6 Diskussion 117 6.1 Multilayer-Aktoren................................117 6.1.1 Lebensdauerrechnungen.........................117 6.1.2 Kritische Zyklenzahlen..........................122 6.1.3 Impedanzmessungen...........................122 6.1.4 Kapazitätsmessungen...........................123 6.1.5 Risse in den Multilayer-Aktoren.....................124 6.2 Modellaktoren...................................126 6.2.1 Ursachen der verschiedenen Rißformen.................126 6.2.1.1 Spitzenrisse...........................127 6.2.1.2 Sektorrisse ...........................129 6.2.1.3 Unterkritische Risse......................130 6.2.1.4 Interface-Delaminationen...................131 6.2.1.5 Anschmelzende Elektrodenschichten.............133 6.2.1.6 Dielektrischer Durchbruch...................134 6.2.2 Einfluß der Aktorschäden auf das Schwingungsverhalten .......135
VIII 6.2.3 Änderung der Dielektrizitätskonstante.................136 6.3 Vergleich Multilayer-Aktoren mit Modellaktoren................137 6.4 Ausblick......................................138 Literatur 139
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