Hart-ferroelektrische Keramiken wurden in den letzten Jahren als das am schnellsten wachsende Segment des Elektrokeramikmarktes identifiziert, da sie eine Reihe moderner Technologien in der industriellen Automatisierung, Unterhaltungselektronik, intelligenten Fahrzeugen, Mikrorobotik und Medizin ermöglichen. Sie sind Kernelemente zahlreicher Hochleistungsanwendungen (engl. high-power applications) die vom Ultraschallschweißen über Spannungstransformatoren bis hin zu Ultraschallmotoren in der Robotik reichen. In diesen Anwendungen wird ein ferroelektrischer Resonator bei oder nahe seiner piezoelektrischen Resonanzfrequenz angetrieben, was eine einzigartige Konstellation darstellt, die die Erzeugung einer großen oszillierenden Verschiebung/Dehnung bei vergleichsweise kleinen elektrischen Antriebsfeldern ermöglicht. Die Dehnungsamplifikation in Resonanz hängt dabei von der Energiedissipation und den induzierten Hystereseverlusten ab, die üblicherweise im Qualitätsfaktor des Resonators zusammengefasst werden, d. h. die Spannungserzeugung erfordert keine außergewöhnlich großen piezoelektrischen Koeffizienten, sondern stützt sich auf die Kombination aus moderater elektromechanischer Kopplung und minimaler Verlusterzeugung. Bleibasierte Ferroelektrika stoßen jedoch bereits an ihre Belastungsgrenzen und sind aufgrund der sich schnell entwickelnden Verluste auf niedrige Leistungsdichten beschränkt. Dies setzt den maximal erreichbaren Vibrationsgeschwindigkeiten eine Grenze und führt zu Überhitzung, Depolarisation, mechanischem Bruch und schließlich Geräteversagen. Kürzlich entwickelte bleifreie Ferroelektrika zeigten vielversprechende Hochleistungseigenschaften und werden als potenzielle Alternativen gehandelt, die es ermöglichen, die Vibrationsgrenzen zu höheren Geschwindigkeiten zu verschieben. Sie übertreffen ihre bleibasierte Konkurrenz in Bezug auf verringerte Verlusterzeugung, sind jedoch im Allgemeinen durch die geringere elektro-mechanische Kopplung und engere Betriebstemperaturfenster limitiert. In beiden Fällen fehlen jedoch noch immer eine konsistente Beschreibung der den Resonanzeigenschaften zugrunde liegenden Mechanismen und eine systematische Untersuchung der entscheidenden Einflussfaktoren. Dies behindert die Entwicklung zukünftiger Hochleistungs-Ferroelektrika. Diese Arbeit untersucht und vergleicht die Hochleistungseigenschaften und die mechanistischen Prozesse mehrerer Pb(Zr,Ti)O3-basierter und (Na1/2Bi1/2)TiO3-BaTiO3-basierter ferro-elektrischer Zusammensetzungen in piezoelektrischer Resonanz. Unter Verwendung gepulster Messungen werden piezoelektrische, mechanische, dielektrische Koeffizienten und Qualitäts-faktoren in einem breiten Vibrations-, Temperatur- und Frequenzbereich und in verschiedenen Schwingungsmodi bestimmt. Die Performance wird dabei am genausten durch einen Hochleistungs-Gütefaktor repräsentiert, der gleichzeitig mehrere der Koeffizienten akkumuliert darstellt. Dabei fällt auf, dass vor allem die Werten und die relative Stabilität der piezoelektrischen Koeffizienten und der sich erheblich ändernden Qualitätsfaktoren den Gütefaktor dominieren. Die höchsten Gütewerte werden in Akzeptor-dotierten Pb(Zr,Ti)O3-Zusammensetzungen erreicht. Doch während die piezoelektrischen Koeffizienten dieser Kompositionen mit zunehmender Vibrationsgeschwindigkeit leicht ansteigen, zeigen die Qualitätsfaktoren bereits im Bereich unter 1 m/s einen rapiden Abfall um mehr als 80 %, was sich als Hauptlimitierung für die Geschwindigkeitserzeugung darstellt. Die massive Abnahme erscheint qualitativ äquivalent in allen Pb(Zr,Ti)O3-Zusammensetzungen, ungeachtet der verwendeten Dotierelementen und konzentrationen (Akzeptor/Donor), Kristallstruktur (Zr/Ti-Verhältnis) oder Korngröße (Domänengröße), d. h. eine Erhöhung der Qualitätsfaktorwerte führt nicht zu einer verbesserten relativen Stabilität bei hohen Geschwindigkeiten. Darüber hinaus, werden die Qualitätsfaktors in Abhängigkeit von der Vibrationsgeschwindigkeit auf die Kleinfeldwerte normiert, zeigen aller Zusammensetzungen eine Überlagerung, was darauf hindeutet, dass die geringe Stabilität in erster Linie durch die inhärenten Eigenschaften der ferroelektrischen Matrix bestimmt wird und weitgehend unabhängig von chemischer Dotierung oder anderen Modifikationen ist. (Na1/2Bi1/2)TiO3-BaTiO3 Zusammensetzungen weisen im Allgemeinen geringere piezoelektrische Koeffizienten und Qualitätsfaktoren auf, können jedoch mit Pb(Zr,Ti)O3 konkurrieren, wenn Zusammensetzungen an der morphotropen Phasengrenze (große piezoelektrische Koeffizienten) durch Zn2+-Akzeptordotierung oder Kompositbildung mit ZnO-Einschlüssen ferroelektrisch gehärtet werden (steigende Qualitätsfaktoren). Die Zusammensetzungen weisen eine deutlich bessere inhärent Stabilität auf, d. h. die piezoelektrischen Koeffizienten sind bis zu großen Vibrationsgeschwindigkeiten nahezu konstant, während die Qualitätsfaktoren nur eine mäßige Abnahme aufweisen. Die ausgeprägte Stabilität in Kombination mit einer hohen Bruchzähigkeit und Wärmeleitfähigkeit resultiert in einer hervorragende Hochleistungs-Performance und ermöglicht die Erzeugung großer Vibrationsgeschwindigkeiten jenseits von 4 m/s bei wesentlich reduzierter Eigenerwärmung, während modernstes Pb(Zr,Ti)O3 Zusammensetzungen bereits unterhalb von 2,6 m/s versagen. Der mechanistische Ursprung des Stabilitätsunterschiedes wurde identifiziert, indem die Impulsantriebsmessungen mit Synchrotron-Röntgenbeugung synchronisiert wurden. Die Abnahme des Qualitätsfaktors in Pb(Zr,Ti)O3 ist direkt verbunden mit einer erhöhten Bewegung von nicht-180° Domänenwänden. Die Domänenwandbewegung ist ein verlustbehafteter dehnungserzeugender Prozess, der durch die sich entwickelnden dynamischen mechanischen Spannungen im Resonator angetrieben wird. Es konnte eine allgemeine Beziehung zwischen den mikrostrukturellen Dehnungsbeiträgen und dem makroskopischen elektromechanischen Verhalten hergestellt werden. Es wird vorgeschlagen, dass die so extrahierten Parameter die inhärente Hochleistungsstabilität ferroelektrischer Systeme vorherzusagen können. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Stabilität von (Na1/2Bi1/2)TiO3-BaTiO3 mit einem signifikant geringeren Beitrag der Domänenwände zur erzeugten Dehnung zusammenhängt. Die Dehnung ist überwiegend von intrinsischer Natur und resultiert vorwiegend aus der Gitterverzerrung, was die Folge erheblich höherer Koerzitivspannungen in diesen Materialien ist. Die dennoch kleineren Qualitätsfaktoren weisen jedoch darauf hin, dass neben den normalerweise dominierenden extrinsischen Verlusten auch erhebliche intrinsische Verluste vorhanden sind. Die intrinsischen Verluste entwickeln sich höchstwahrscheinlich aus einer ausgeprägten Rotation der Gitterpolarisation, diese weist jedoch nur eine schwache Abhängigkeit von der Vibrationsgeschwindigkeit aufweist. Die Ergebnisse bestätigten, dass die Modifikationen und Härtungsmechanismen die Werte beeinflussen, während die Stabilität überwiegend von den grundlegenden Eigenschaften der Materialgruppe abhängt. Weiterhin wurde festgestellt, dass die oben genannte relative Stabilität und Überlagerung temperaturunabhängig sind. Die absoluten Werte weisen hingegen eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit auf. Insbesondere Akzeptor-dotierte Zusammensetzungen zeigen eine starke nicht kontinuierliche Temperaturänderung. Es wurde festgestellt, dass diese mit den di-elektrischen Verlusten in Verbindung steht, welche von den erzeugten Sauerstoffleerstellen und der thermisch aktivierten Ionenleitfähigkeit herrührt. Dies führt zu der Ambivalenz, dass stark Akzeptor-dotierte Zusammensetzungen äußerst hohe Qualitätsfaktoren erreichen, dies aber nur in einem schmalen Temperaturfenster und bei zugleich erheblicher Neigung zur Temperaturabhängigkeit. Eine vielversprechende Alternative ist deshalb der Zweitphasen-basierte Härtungsansatz, der anhand von ZnO-Einschlüssen in (Na1/2Bi1/2)TiO3 BaTiO3 demonstriert wurde. Diese Keramik-Keramik-Verbundwerkstoffe besitzen erhöhte Qualitätsfaktoren, hinausgezögerte Depolarisationstemperaturen und nahezu temperaturunabhängige Eigenschaften, da die eingeführte Fehlpassungsspannung nicht zur Leitfähigkeit beiträgt. In Kombination mit der inhärenten relativen Stabilität weisen die Verbundwerkstoffe ein viel breiteres Temperatur-Geschwindigkeits-Betriebsfenster auf und sind voraussichtlich besser geeignet für Hochleistungsanwendungen unter thermischer Belastung und/oder ausgeprägter Selbsterwärmung. Ein weiterer vorgeschlagener und untersuchter Härtungsansatz basiert auf der Manipulation ferroelektrischer Eigenschaften durch DC-Spannungs-Überlagerung. Zu diesem Zweck wurde ein piezoelektrisches Resonanz-Impedanz-Spektrometer entwickelt, das in der Lage ist, Anregungs-Wechselspannungen mit einer hohen Gleichspannung zu überlagern. Signifikante Effekte wurden vor allem in Akzeptor-dotiertem Pb(Zr,Ti)O3 festgestellt, wo ein sechsfacher Anstieg der Qualitätsfaktoren bei DC-Feldern von 2 kV/mm die gleichzeitige Abnahme des piezoelektrischen Koeffizienten überkompensierte und zu einer erheblichen Erhöhung der Gütefaktoren führt. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Ersatz der Akzeptor-Dotierung durch DC-Härtung das Potenzial hat, die Hochleistungseigenschaften und die Temperaturstabilität gleichzeitig zu verbessern und die parasitäre Leitfähigkeit in Ferroelektrika zu reduzieren.