@phdthesis{Hansch2003,
  author    = {Hansch, Ralf},
  title     = {Optimierung des PbO-Haushaltes in undotierten und SKN-substituierten PZT-Fasern: Gef{\"u}ge und Eigenschaften},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-6651},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {Ziel der vorliegenden Arbeit war eine Optimierung des Mikrogef{\"u}ges und der funktionalen Eigenschaften von undotierten und substituierten Bleizirkonat-Bleititanat-Fasern (PZT), die {\"u}ber die Sol-Gel-Route hergestellt worden waren. Die Kontrolle der Gef{\"u}geausbildung und der damit zusammenh{\"a}ngenden funktionalen Eigenschaften in den Fasern erfolgte {\"u}ber drei Wege: (1) {\"u}ber eine Optimierung des PbO-Gehaltes im Spinnsol, (2) {\"u}ber eine Anpassung der bei der Sinterung eingesetzten PbO-haltigen Puffersysteme sowie (3) {\"u}ber Variationen der Sinterzeit. Durch eine geeignete Kombination all dieser Pr{\"a}parationsparameter gelang es, phasenreine PZT-Fasern mit einem vollst{\"a}ndig verdichteten Mikrogef{\"u}ge und guten di- und ferroelektrischen Eigenschaften herzustellen. Sinterexperimente an undotierten PZT-Fasern zeigten, daß eine Grobjustage des PbO-Haushaltes durch einen PbO-{\"U}berschuß im Spinnsol f{\"u}r ein vollst{\"a}ndig verdichtetes Mikrogef{\"u}ge notwendig ist. Erg{\"a}nzend dazu ist die Feinjustage des PbO-Haushaltes durch ein geeignetes Puffersystem w{\"a}hrend der Sinterung ein effektives Werkzeug zur gezielten Einstellung des Mikrogef{\"u}ges. Mit Hilfe dieser Sinteroptimierung konnte beispielsweise die Sinterzeit f{\"u}r dichtgesinterte Fasern von 5 h auf 15 min erniedrigt werden. Dies f{\"u}hrt zu einem kosteng{\"u}nstigeren und damit wirtschaftlicheren Herstellungsprozeß. R{\"o}ntgenographische Phasenanalysen mittels XRD zeigten, daß alle PbO-{\"U}berschuß-Fasern nach der Sinterung aus phasenreinem Bleizirkonat-Bleititanat mit einem Zr/Ti-Verh{\"a}ltnis im Bereich der morphotropen Phasengrenze bestanden. In PbO-{\"U}berschuß-Fasern konnte jedoch mittels TEM-EDX-Untersuchungen eine amorphe Sekund{\"a}rphase mit stellenweise kristallinen PbO-Einschl{\"u}ssen im Bereich von Korntripelpunkten nachgewiesen werden. Das Auftreten dieser Sekund{\"a}rphase und die sehr schnelle Verdichtung unterst{\"u}tzen den im System Bleizirkonat-Bleititanat ohnehin naheliegenden Schluß, daß die Verdichtung der PbO-{\"U}berschuß-Fasern vorwiegend {\"u}ber einen Fl{\"u}ssigphasensintermechanismus erfolgt. Dagegen resultiert die Verdichtung in PbO-Defizit-Fasern durch einen Festphasensintermechanismus. Die mechanischen Eigenschaften der PZT-Fasern konnten durch eine Vereinzelung der Fasern aus dem Faserb{\"u}ndel vor der thermischen Prozeßf{\"u}hrung sowie durch eine Beschlichtung deutlich verbessert werden. So konnte an optimierten Fasern Zugfestigkeiten im Bereich von 125 MPa gemessen werden. Die dielektrischen Eigenschaften von undotierten PZT-Fasern sind mit denen von Mixed-Oxide-Keramiken vergleichbar. Nicht verdichtete PZT-Fasern mit Korngr{\"o}ßen von ca. 1 µm zeigten relative Dielektrizit{\"a}tskonstanten um 600, wohingegen dichtgesinterte Fasern mit Korngr{\"o}ßen von bis zu 4 µm relative Dielektrizit{\"a}tskonstanten von ca. 1000 bis 1200 aufwiesen. Die Großsignaleigenschaften waren relativ unabh{\"a}ngig vom Fasergef{\"u}ge, typische Werte lagen f{\"u}r die Koerzitivfeldst{\"a}rken bei 2,1 V/µm und f{\"u}r die maximale Polarisation bei 36 µC/cm2; die remanente Polarisation lag bei 22 µC/cm2. Die Großsignaldehnungen betrugen ca. 0,1 \% bei Feldst{\"a}rken von 6 kV/mm. Zyklierungsexperimente an undotierten PZT-Fasern zeigten, daß bis ca. 10000 Zyklen eine Art „Entalterung" auftritt, die mit der von undotierten PZT-Bulkmaterialien vergleichbar ist. Die Erm{\"u}dung der PZT-Fasern ab 100000 Zyklen, kann hingegen eindeutig auf einen Interface-Effekt an der Grenzfl{\"a}che zwischen Elektrode und Komposit zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. In einem weiteren Schritt wurden die an den undotierten PZT-Fasern gewonnenen Erkenntnisse auf PZT/SKN-Fasern {\"u}bertragen, bei denen eine partielle Substitution durch Strontium, Kalium und Niob vorgenommen wurde. Hier konnte gezeigt werden, daß die zus{\"a}tzlich eingebrachten Substitutionselemente als Kornwachstumsinhibitoren wirken. Eine vollst{\"a}ndige Verdichtung des Gef{\"u}ges kann bei diesen Fasern im Gegensatz zu den undotierten PZT-Fasern nicht durch einen PbO-{\"U}berschuß, sondern nur durch eine Erh{\"o}hung der Sintertemperatur erreicht werden. Bei Temperaturen von 950 °C reicht dann allerdings bereits ein geringer PbO-{\"U}berschuß von 4 Mol-\% f{\"u}r eine vollst{\"a}ndige Verdichtung der Faser aus. In Analogie zu den undotierten PZT-Fasern wird auch hier die Gef{\"u}geverdichtung von einem Fl{\"u}ssigphasensintermechanismus dominiert. Erste Untersuchungen der Großsignaleigenschaften der PZT/SKN-Fasern sind charakteristisch f{\"u}r ein weichferroelektrisches Verhalten. In den Kleinsignaleigenschaften zeigen die substituierten PZT/SKN-Fasern eine deutliche Abh{\"a}ngigkeit von der Korngr{\"o}ße: Mit einer Zunahme der Korngr{\"o}ße um 50\% auf 4?5 µm konnte ein Anstieg der Dielektrizit{\"a}tskonstante von 600 auf 1000 korreliert werden. Messungen des Dickenkopplungsfaktors ergab Werte um 40\%; sie sind somit vergleichbar mit denen, die an Bulk-Keramiken festgestellt wurden.},
  language  = {de}
}