MCL – MATERIALS CENTER LEOBEN FORSCHUNG GMBH
FORSCHUNGSSCHWERPUNKT
COMET K2 MPPE
Strategisches
Forschungsprojekt
42
A 7.7
Piezokeramische Bauteile werden heute in zahlreichen Sensor- und Aktuatoran-
wendungen verwendet. Der wichtigste Werkstoff in diesem Bereich ist gesintertes
Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), welches aufgrund seiner hohen Dehngrade auch für
Einspritzsteuerungen in der Automotivindustrie eingesetzt wird. Der zugrunde ge-
legte sogenannte “gigantische Piezoeffekt” in diesem ferroelektrischen Werkstoff
wird durch ein kompliziertes Zusammenspiel von intrinsischem und extrinsischem
Piezoeffekt bewirkt. Letzteres wird durch Domänenbewegung und –klappen er-
möglicht.
Die Entwicklung eines konstitutiven Materialgesetzes zur Beschreibung des Werk-
stoffs ist eine wesentliche Voraussetzung, um einen detaillierteren Einblick in die
Werkstoffdynamik zu erhalten und zuverlässige Bauteile designen zu können. Voraus-
setzung für die Schaffung eines hinreichend realistischen Materialmodells ist die Im-
plementierung von gekoppelten ferroelektrischen und ferroelastischen Effekten. Dies
konnte in einem phänomenologisch-kontinuumsmechanischen Ansatz mit Hilfe eines
neuartigen Finite-Elemente-Ansatzes erreicht werden. Um eine rasche und robuste
Konvergenz des hoch-nichtlinearen Problems zu erzielen, wurden konsistente Tan-
gentenmodule quasianalytisch mittels automatisierter Differentiation des FORTRAN-
Codes berechnet. Da der auf dem Programm FEAP basierte Berechnungscode inner-
halb des kommerziellen FE-Programms ANSYS aufgerufen werden kann, steht somit
ein ausgereiftes FE-Werkzeug mit Pre- und Postprocessing zur Verfügung. Mit dem
Modell ist es bereits möglich, inhomogene Feldverteilungen in realistischen Bauteil-
ausschnitten vorherzusagen. Diese Kenntnisse sind beispielsweise für ein robustes
“
Rissmanagement” wesentlich.
Konstitutivgesetze für
piezokeramische Materialien
Common-Rail-System bei einem PKW-Dieselmotor
Common-Rail-Einspritzelemente
Piezo-Schaltelement