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