Messtechnische Charakterisierung des thermopiezoelektrischen Materialverhalten

Teilprojekt der Forschungsgruppe FOR 5208: Modellbasierte Bestimmung nichtlinearer Eigenschaften von Piezokeramiken für Leistungsschallanwendungen

DFG Projektnummer:

444955436

Kurzfassung:

Eine wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Bestimmung vollständiger und konsistenter Materialparametersätze ist die möglichst präzise und korrekte Bestimmung der piezoelektrischen Werkstoff- bzw. Bauteileigenschaften. Dies erfordert die Entwicklung geeigneter Messverfahren und deren Umsetzung in Form eines Messsystems. Im Vordergrund steht die quasi-kontinuierliche und simultane Erfassung elektrischer (elektrische Impedanz), mechanischer (Oberflächenauslenkung) und thermischer (Temperaturverteilung) Größen zur möglichst ganzheitlichen Beschreibung des Werkstoff- bzw. Bauteilverhaltens von Piezokeramiken.

Dabei ist die Konzeption und technische Realisierung verschiedener Messplätze bzw. Versuchsaufbauten zur gezielten Untersuchung ausgewählter Einflussgrößen geplant. Zunächst sollen nur die linearen Materialparameter bzw. Materialparametersätze in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt werden (AP3 und AP4). Hierzu werden die frequenzabhängigen elektrischen Impedanzverläufe an Piezokeramik-Proben mit optimierter Elektrodenkonfiguration bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen (AP1) und in Kooperation mit der Arbeitsgruppe MOP daraus die Materialparametersätze ermittelt. Gegebenenfalls können hier vibrometrische Untersuchungen im Bedarfsfall hinzugezogen werden. Daran schließen sich Untersuchungen zum Einfluss einer mechanischen Vorspannung (AP5) und einer elektrischen Vorspannung (AP6) an. Im Ergebnis dieser Voruntersuchungen wird der Parameterraum für die Materialparameter bekannt sein und es wird eine erste Beschreibung der relevanten nichtlinearen Eigenschaften vorliegen. Darauf aufbauend werden die Arbeitsgruppen EMT und LDM in enger Kooperation und in Abstimmung mit den anderen Arbeitsgruppen im Rahmen der Teilprojekte ANA, OPT und SIM ein geeignetes Materialmodell zur Beschreibung des thermopiezoelektrischen Materialverhaltens für Leistungsschallanwendungen entwickeln.

Hieran schließt sich die Entwicklung eines Messsystems zur Charakterisierung des nichtlinearen Verhaltens von Piezokeramiken an (AP8). Die Arbeitsgruppe EMT konzentriert sich vornehmlich auf die Automatisierung des Messplatzes sowie auf die Erfassung der elektrischen Größen. Aufgrund der Nichtlinearitäten genügt hier nicht mehr die Auswertung des frequenzabhängigen Impedanzverlaufs, sondern es sind Methoden und Schaltungen zur Auswertung der Signalspektren von Strom  und Spannung zu entwickeln. Parallel hierzu übernimmt die Arbeitsgruppe LDM die Entwicklung der Messtechnik zur Erfassung der mechanischen und thermischen Größen (Vibrometrie und Pyrometrie) an der Piezokeramik-Probe.

Im letzten Arbeitspaket sollen das entwickelte Messverfahren, das Materialmodell, die Simulationsumgebung sowie die Parameteridentifikationsmethode an Piezokeramik-Proben anderer Geometrie, Elektrodenkonfiguration und eines anderen Materialtyps überprüft und verifiziert werden.

Kooperationspartner:

Dr.-Ing. Tobias Hemsel (Dynamik und Mechatronik, Universität Paderborn)

Projektlaufzeit:

2022 bis 2026

Ansprechpartner

business-card image

Olga Friesen

Elektrische Messtechnik (EMT)

Untersuchung von Piezokeramiken, Messplatzautomatisierung

E-Mail schreiben +49 5251 60-3018
business-card image

Dr.-Ing. Leander Claes

Elektrische Messtechnik (EMT)

Schallfeldsimulation, Fluidcharakterisierung

E-Mail schreiben +49 5251 60-4950

NEPTUN Projektseite

Mehr erfahren

Projektbezogene Publikationen

Arbitrary sensitivity for inverse problems in piezoelectricity
B. Jurgelucks, V. Schulze, N. Feldmann, L. Claes, Arbitrary Sensitivity for Inverse Problems in Piezoelectricity, GAMM Annual Meeting, Wien, 2019.
Inverse piezoelectric material parameter characterization using a single disc-shaped specimen
N. Feldmann, V. Schulze, L. Claes, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, Tm - Technisches Messen (2020) 50–55.
Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen scheibenförmigen Probekörper
N. Feldmann,   Ein modellbasiertes Messverfahren zur Charakterisierung von Piezokeramiken unter Verwendung eines einzelnen scheibenförmigen Probekörper, Universität Paderborn, 2021.
Optimal experiment design with respect to electrode configurations for a piezoelectric problem
V. Schulze, S. Schmidt, B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, Optimal Experiment Design with Respect to Electrode Configurations for a Piezoelectric Problem, GAMM Annual Meeting, Kassel, 2021.
Modelling damping in piezoceramics: A comparative study
N. Feldmann, V. Schulze, L. Claes, B. Jurgelucks, L. Meihost, A. Walther, B. Henning, Tm - Technisches Messen 88 (2021) 294–302.
Optimised Multi-Electrode Topology for Piezoelectric Material Characterisation
L. Claes, N. Feldmann, B. Jurgelucks, V. Schulze, S. Schmidt, A. Walther, B. Henning, in: 2021, pp. 237–238.
Piezoelectric BC Modeling for Electrode Shapes with OED
V. Schulze, S. Schmidt, B. Jurgelucks, N. Feldmann, L. Claes, Piezoelectric BC Modeling for Electrode Shapes with OED, GAMM Juniors’ Summer School 2021, Graz, 2021.
Identification of piezoelectric material parameters using optimised multi-electrode specimens
L. Claes, N. Feldmann, V. Schulze, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, in: Fortschritte Der Akustik - DAGA 2022, 2022, pp. 1326–1329.
Estimation of piezoelectric material parameters of ring-shaped specimens
O. Friesen, L. Claes, N. Feldmann, B. Henning, Estimation of Piezoelectric Material Parameters of Ring-Shaped Specimens, International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in Actuators (IWPMA), 2022.
Inverse procedure for measuring piezoelectric material parameters using a single multi-electrode sample
L. Claes, N. Feldmann, V. Schulze, L. Meihost, H. Kuhlmann, B. Jurgelucks, A. Walther, B. Henning, Journal of Sensors and Sensor Systems 12 (2023) 163–173.
Inverse procedure for the identification of piezoelectric material parameters supported by dense neural networks
L. Claes, L. Meihost, B. Jurgelucks, Inverse Procedure for the Identification of Piezoelectric Material Parameters Supported by Dense Neural Networks, GAMM Annual Meeting, Dresden, 2023.
Parameter Identification of Piezoelectrics improved by Neural Networks
B. Jurgelucks, Parameter Identification of Piezoelectrics Improved by Neural Networks, GAMM Annual Meeting, Dresden, 2023.
Parameter identification in piezoelectricity based on all-at-once and reduced regularization
R. Kuess, Parameter Identification in Piezoelectricity Based on All-at-Once and Reduced Regularization, GAMM Annual Meeting, Dresden, 2023.
Influence of Temperature and Pre-Stress on the Piezoelectric Material Behavior of Ring-Shaped Ceramics
C. Scheidemann, T. Hemsel, O. Friesen, L. Claes, W. Sextro, in: 2023.
Influence of Temperature and Pre-Stress on the Piezoelectric Material Behavior of Ring-Shaped Ceramics
C. Scheidemann, T. Hemsel, O. Friesen, L. Claes, W. Sextro, in: 2023.
Alle Publikationen anzeigen