Time-resolved diffraction experiments on piezoelectric actuators

Abstract

One of the most important features of many common functional ceramics is piezoelectricity, a phenomenon which is not fully under-stood so far. Especially the time-dependent response and its role in the deterioration of properties due to fatigue has not been much investigated. The present work focuses especially on time-resolved X-ray-diffraction, but also uses static methods to improve the understanding of dynamic processes that occur during switching in piezoelectric actuators and how they change with increasing fatigue. Micro-tensile tests were performed on the electrode material; the flow stress strongly depends on the temperature. A new synchrotron-based method was developed to study actuators in-situ during switching on timescales of microseconds. The results show different relaxation processes depending on the sample position. In a pre-stressed actuator, only one 90° domain relaxation can be found in the active area. In an actuator without prestress, we can find two different 90° domain relaxation processes. In the inactive area of the actuator, only slow processes can be seen as no domain processes occur. Close to the electrode edge, high mechanical stresses yield defect relaxations which could be a reason for stronger fatigue in this area. In this work it was shown that synchrotron experiments can be used to study the domain processes in piezoelectric materials. Future experiments could use this method to study the influence of fatigue on domain processes.

In der vorliegenden Arbeit wurden in situ Untersuchungen an piezoelektrischen Aktoren durchgeführt. Dabei wurden keine Modellsysteme, sondern annähernd originale Bauteile aus Common-Rail Einspritzanlagen verwendet. Neben mikrostrukturellen Untersuchungen wurden Mikrozugversuche an AgPd-Elektroden und zeitaufgelöste Röntgenexperimente durchgeführt. Die Mikrozugversuche zeigten, dass die Fließspannung des Elektrodenmaterials stark von der Temperatur abhängt. Eine Methode für zeitaufgelöste Röntgendiffraktionsexperimente an Aktoren wurde entwickelt. Untersuchungen des Gesamtaktors zeigen kein starkes Relaxationsverhalten, im Gegensatz zu einzelnen Körnern. Während bei dem unter Vorspannung stehenden geteilten Aktor nur ein 90° Domänenprozess zu messen war, zeigte der freistehende Babyaktor zwei 90° Schritte. Ursache hierfür ist die Ausrichtung von Domänen durch die mechanische Vorspannung. Im inaktiven Bereich des Aktors wurde nur eine schwache Relaxation gemessen, da keine Domänenprozesse stattfinden. An der Elektrodenspitze kommt es durch hohe mechanische Spannungen zu ausgeprägten Defektrelaxationen, die das Ermüdungsverhalten beeinflussen könnten. Es wurde gezeigt dass mit Hilfe von Röntgenstrahlen das Domänenrelaxationsverhalten piezoelektrischer Aktoren gemessen werden kann und von der Position auf der Probe abhängt. In zukünftigen Untersuchungen kann mit der hier entwickelten Methode der Einfluss des Ermüdungszustandes auf die Domänenprozesse untersucht werden kann.