TU Darmstadt / ULB / TUprints

Mechanisms of Enhancement in Lead-Free Piezoceramic Composites

Ayrikyan, Azatuhi (2019):
Mechanisms of Enhancement in Lead-Free Piezoceramic Composites.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
AyrikyanDissertationSep2019v7.pdf
Available under CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution Share-alike.

Download (9MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Mechanisms of Enhancement in Lead-Free Piezoceramic Composites
Language: English
Abstract:

The aim of this work is to investigate lead-free ferroelectric ceramic/ceramic composites, with the ultimate goal of elucidating the mechanisms of their enhanced electromechanical response. Previous work has shown that a composite comprised of a highly disordered nonpolar ferroelectric matrix material and an ordered polar seed material results in an increased electromechanical response under specific circumstances. The mechanisms used to explain this enhancement have been based on the electrical and mechanical interactions between the seed and matrix during application of an electric field. However, the interactions between the seed and matrix during processing also play a significant role in the enhancement observed in lead-free ferroelectric composite systems. The fabrication of ceramic/ceramic composites requires high-temperature sintering of the seed and matrix for formation of densified pellets. Fundamental laws of kinetics dictate that diffusion between the two constituents should occur at the high temperatures required for ceramics processing. In addition, a difference in the sintering trajectories will result in a nonzero stress state during sintering, which is well established to effect the microstructure. The structure-property relationships in composites can provide new insight into these mechanisms, but there have been significant challenges in investigating structure at the microscale. To that end, model systems of 2-2 composites were prepared and utilized to investigate these phenomena. In light of the influences of diffusion and internal stress on electromechanical behavior, the electromechanical response of several 0-3 and 2-2 composite systems are investigated. The influence of co-sintering interactions on the electromechanical behavior of electroceramics plays an important role in the improvement of lead-free material systems for the replacement of current commercially dominant lead-based systems.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Ziel dieser Arbeit ist es, bleifreie ferroelektrische Keramik / Keramik-Verbundwerkstoffe zu untersuchen, mit dem Ziel, die Mechanismen ihrer verbesserten elektromechanischen Reaktion aufzuklären. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass ein Komposit aus einem stark ungeordneten unpolaren ferroelektrischen Matrixmaterial und einem geordneten polaren Keimmaterial unter bestimmten Umständen zu einer erhöhten elektromechanischen Reaktion führt. Die Mechanismen, die zur Erklärung dieser Verbesserung verwendet wurden, basierten auf den elektrischen und mechanischen Wechselwirkungen zwischen Keim und Matrix während des Anlegens eines elektrischen Feldes. Die Wechselwirkungen zwischen Keim und Matrix während der Verarbeitung spielen jedoch auch eine wichtige Rolle bei der in bleifreien ferroelektrischen Verbundsystemen beobachteten Verbesserung. Die Herstellung von Keramik / Keramik-Verbundwerkstoffen erfordert ein Hochtemperatursintern des Keims und der Matrix zur Bildung verdichteter Pellets. Grundlegende Gesetze der Kinetik schreiben vor, dass die Diffusion zwischen den beiden Bestandteilen bei den für die Keramikverarbeitung erforderlichen hohen Temperaturen stattfinden soll. Darüber hinaus führt ein Unterschied in den Sintertrajektorien zu einem Spannungszustand ungleich Null während des Sinterns, der gut etabliert ist, um die Mikrostruktur zu beeinflussen. Die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in Kompositen können neue Einblicke in diese Mechanismen gewähren. Die Untersuchung der Struktur auf der Mikroskala war jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Zu diesem Zweck wurden Modellsysteme aus 2-2-Verbundwerkstoffen hergestellt und zur Untersuchung dieser Phänomene verwendet. Unter Berücksichtigung der Einflüsse von Diffusion und Eigenspannung auf das elektromechanische Verhalten wird das elektromechanische Verhalten mehrerer 0-3- und 2-2-Verbundsysteme untersucht. Der Einfluss von Co-Sinter-Wechselwirkungen auf das elektromechanische Verhalten von Elektrokeramiken spielt eine wichtige Rolle bei der Verbesserung von bleifreien Materialsystemen als Ersatz für derzeit kommerziell dominierende bleibasierte Systeme.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Nonmetallic-Inorganic Materials
Date Deposited: 30 Oct 2019 14:33
Last Modified: 30 Oct 2019 14:33
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-90613
Referees: Webber, Prof. Dr. Kyle and Kleebe, Prof. Dr. Hans-Joachim
Refereed: 28 September 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9061
Export:
Actions (login required)
View Item View Item