Zusätzlich zur Notwendigkeit einer effizienten Nutzung von Resourcen hat die Toxizität von Blei für Menschen und die Umwelt zu einem breiten Forschungsfeld für bleifreie ferroelektrische Materialien geführt und die Entwicklung neuer Konzepte und Technologien angeregt. Der Einsatz von bleibasierten Keramiken wird in der Europäischen Union (EU) durch die Restriction of Hazardous Substances (RoHS) reguliert. PZT hat eine Ausnahme von der RoHS-Richtlinie, bis ein geeigneter Ersatz gefunden wird. Trotz der in den letzten Jahrzehnten unternommenen Anstrengungen bleibt PZT das am weitesten verbreitete Materialsystem im Bereich der Piezokeramiken, und es scheint, dass es kein einzelnes Materialsystem gibt, das es vollständig ersetzen kann. Individuelle Lösungen für spezifische Anwendungen werden weiterhin entwickelt, und einige Materialsysteme übertreffen PZT sogar in bestimmten Anwendungen. Daher besteht Bedarf an weiterer Forschung zur Entwicklung und Optimierung von alternativen bleifreien Materialien mit wünschenswerten piezoelektrischen Eigenschaften und zur Bewältigung der Umwelt- und Gesundheitsbedenken im Zusammenhang mit dem Einsatz von bleibasierten Keramiken.

Diese Arbeit befasst sich mit den Herausforderungen im Zusammenhang mit (Na1/2Bi1/2)TiO3-basierten (NBT) Materialien und stellt ihr Potenzial als Ersatz für PZT in Hochleistungsanwendungen (Hochleistung bezieht sich auf die elektrische Anregung und den Betrieb in mechanischer Resonanz bei hoher Schwingungsgeschwindigkeit) dar. NBT-basierte Materialien wie (Na1/2Bi1/2)TiO3-xBaTiO3 (NBT-xBT) und (Na1/2Bi1/2)TiO3-x(K1/2Bi1/2)TiO3 (NBT-xKBT) wurden aufgrund ihrer stabilen mechanischen Verluste bei steigender Ausgangsleistung als vielversprechende Kandidaten identifiziert, im Gegensatz zu PZT, das unter denselben Bedingungen stark ansteigende mechanische Verluste aufweist. Trotz dieser Vorteile bestehen weiterhin verschiedene Herausforderungen im Zusammenhang mit NBT-basierten Materialien, darunter ein Mangel an mechanistischem Verständnis und unbekannte Probleme im Hinblick auf die Übertragung von Laborbedingungen auf reale Anwendungen. Daher werden die folgenden Fragen behandelt:

- Welche Eigenschaften sind entscheidend für den Einsatz in Hochleistungsanwendungen und warum?

- Wie verändern sich die Materialeigenschaften, wenn sie unter anwendungsähnlichen Bedingungen gemessen werden?

Systematische chemische Modifikationen der NBT-xBT- und NBT-xKBT-Systeme werden hinsichtlich ihrer elektromechanischen Eigenschaften diskutiert, wie dem piezoelektrischen Koeffizienten, dem Kopplungsfaktor und verschiedenen Verlusten, einschließlich dielektrischer und elektromechanischer Verluste. Diese Diskussion umfasst auch ihre Bewertung hinsichtlich der Temperaturstabilität. Es wird eine allgemeine Dotierstrategie für die NBT-xBT- und NBT-xKBT-Systeme entwickelt, die eine mechanistische Diskussion und Vergleich mit der Dotierung in Systemen wie PZT und BaTiO3 (BT) ermöglicht. Neben der Optimierung und mechanistischen Diskussion werden die NBT-basierten Materialien für den Einsatz in Hochleistungsanwendungen bewertet und klassifiziert. Dieser Prozess beinhaltet Ermüdungsmessungen und den Vergleich mit einem aktuellen PZT-Standardmaterial. Schließlich wird eine Theorie entwickelt und vorgeschlagen, um den zugrunde liegenden Mechanismus zu erklären, warum NBT-basierte Materialien geringe und stabile extrinsische Beiträge zur Dehnung gegenüber der steigenden Schwingungsgeschwindigkeit aufweisen. Daher wurden die folgenden Fragen bisher nicht ausreichend beantwortet und sind ein wichtiger Teil dieser Arbeit:

- Gibt es eine allgemeine Richtlinie zur Gestaltung der Eigenschaften von NBT-basierten Materialien für Hochleistungsanwendungen, und auf welchen physikalischen Mechanismen beruht sie?

- Wie vergleichen sich die Langzeitleistungen von NBT-basierten Alternativen mit den derzeit verwendeten Standardmaterialien?

- Woher stammt der außergewöhnlich stabile extrinsische Beitrag zur Dehnung bei steigender Schwingungsgeschwindigkeit von NBT-basierten Materialien?