Zuverlässigkeit und Design von Funktionskeramiken

Werkstofftechnologische Herausforderungen, die wir mit fundiertem Mechanismenverständnis, Multiskalen-Simulation und atomistischen Berechnungen angehen:

• Verbesserung der Bruchzähigkeit, z. B. durch Mikrostrukturdesign, Dotierung oder Kompositstrukturen, denn Piezokeramiken wie PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) sind spröde und neigen zu Rissbildung unter mechanischer oder thermischer Beanspruchung.
• Unter elektrischer Dauerbelastung verlieren Piezokeramiken mit der Zeit ihre polaren Eigenschaften. Die Alterungsbeständigkeit kann durch Variation der Zusammensetzungen, z. B. durch gezielte Dotierung mit Akzeptor-/ Donoratomen verbessert werden.
• Um elektrischer Fatigue und Materialermüdung bei zyklischer Belastung (mechanisch oder elektrisch) entgegenzuwirken, sind ermüdungsresistente Mikrostrukturen, z. B. mit feinkörnigen oder texturierten Gefügen nötig.
• Korngrenzen spielen eine entscheidende Rolle für die elektrische Leitfähigkeit und das Polarisationsverhalten. Durch Kontrolle der Korngrenzenchemie und -struktur, z. B. Sinterhilfen oder kontrollierte Atmosphären beim Brennen, können diese Eigenschaften verbessert werden.
• Viele leistungsfähige Piezokeramiken enthalten Blei (z. B. PZT), was ökologisch und regulatorisch problematisch ist. Daher gilt es bleifreie Alternativen mit vergleichbarer Performance (z. B. auf Basis von KNN – Kalium-Natrium-Niobat) zu identifizieren und zu bewerten.
• Diffusion von Elektrodenmaterial (z. B. Silber, Kupfer) kann die Keramik schädigen. Mit Barriereschichten oder geeigneter Materialauswahl kann die Diffusionsbeständigkeit verbessert werden. 

Um diese Herausforderungen mit Ihnen gemeinsam anzugehen, berechnen wir die Eigenschaften Ihrer Materialsysteme und entwickeln die geeigneten Simulationsmethoden dafür. Unser Anspruch ist ein fundiertes Mechanismenverständnis mit vertretbarem Rechenaufwand zu schaffen. Damit eröffnen wir für Sie neue Spielräume für das Materialdesign.