Um moderne Dieselfahrzeuge energieeffizient und sauber zu machen, braucht es unter anderem präzise steuerbare Einspritzdüsen, die mit Piezo-Kristallen arbeiten. Wie diese Kristalle im Detail funktionieren, war bisher nicht restlos geklärt. Eine Forschergruppe aus Leoben hat es nun in einem vom Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Projekt geschafft, diese Technologie verlässlicher und effizienter zu machen. Das ist auch für medizinische Anwendungen oder Energy Harvesting interessant.
Dieselfahrzeuge stehen derzeit wegen ihres Abgases unter heftiger Kritik. Stickoxide und Ruß trüben das verbreitete Bild des “sauberen” Dieselmotors. Während der Anteil an Stickoxiden nur durch Zusatz von Chemikalien oder durch niedrigere Verbrennungstemperaturen und damit einhergehenden Verlust an Drehmoment reduziert werden kann, hängt die Ruß-Entwicklung von der Qualität des Verbrennungsvorgangs ab. Dafür genügt es schon lange nicht mehr, einfach zu einem bestimmten Zeitpunkt etwas Kraftstoff einzuspritzen: Meist gibt die Einspritzdüse zuerst kleinere Mengen Diesel ab. Erst wenn diese sich entzündet haben, folgt der Rest des Treibstoffs. All das muss in Sekundenbruchteilen passieren, bei Common-Rail-Dieselmotoren sind dafür hochpräzise steuerbare Einspritzdüsen notwendig. Magnetische Ventile sind hier oft zu träge, zum Einsatz kommen in diesem Fall Piezo-Kristalle, eine Technologie, die wegen ihrer hohen Genauigkeit bisher in Uhren oder in der Elektronenmikroskopie eingesetzt wurde, wo es auf millionstel Millimeter ankommt.
Eine Forschergruppe vom Materials Center Leoben (MCL) um den Werkstoffwissenschaftler Marco Deluca hat es nun geschafft, Grundlagen zu entwickeln, um die in der Autoindustrie verwendeten Piezo-Bauteile effektiver und verlässlicher zu machen. In einem vom Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Projekt warf man dafür einen Blick tief ins Innere dieser Kristalle.
Besser als Quarz
Die wesentliche Eigenschaft von Piezo-Kristallen ist, dass sie sich ausdehnen, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Umgekehrt entsteht Spannung, wenn man sie unter Druck setzt. Ein Piezo-Kristall kann also ein Ventil öffnen, wenn er elektrisch angeregt wird. Das bekannteste Material, das diese Eigenschaft besitzt, ist Quarz, der als Taktgeber in Uhren eingesetzt wird. In der Autoindustrie verwendet man keramische Materialien, die “ferroelektrisch” genannt werden und etwas andere Eigenschaften haben, erklärt Marco Deluca: “Es gibt einen Unterschied zum Quarz. Wenn man Druck ausübt, erzeugt man elektrische Spannung. Beim Quarz lässt sich diese Eigenschaft allerdings nicht verändern. In ferroelektrischen Materialien hingegen kann auch die Richtung der Ausdehnung des Materials beeinflusst werden.”
Während die Atome in einem Quarz-Kristall sehr geordnet sind, bestehen ferroelektrische Keramiken aus winzigen sogenannten “Domänen”, die kleiner als ein Millionstel Millimeter sind. Wird eine genügend hohe Spannung angelegt, so “klappen” diese Domänen um und richten sich aus. “Durch dieses Klappen der Domänen erreicht man bei gleicher Spannung eine höhere Ausdehnung als bei Materialien wie Quarz, die nur piezoelektrisch sind”, erklärt Deluca. Diese stärkere Ausdehnung ist für Einspritzdüsen wesentlich.
Untersuchung mit Laser- und Röntgenstrahlung
Common-Rail-Einspritzdüsen mit Piezo-Injektoren sind in der Autoindustrie seit einigen Jahren üblich, doch es gibt einige technische Probleme. Man kämpft mit Rissen in den Keramik-Elementen, weshalb diese unter einer gewissen Druck-Vorspannung verbaut werden. “Man hat außerdem beobachtet, dass die Performance besser wird, wenn man die Aktoren mit etwa 50 Megapascal Druck im Motor einbaut. Die Hersteller wussten aber nicht, warum”, sagt Deluca. Eine der Aufgaben des Projekts war, diesen Effekt besser zu verstehen. “Dazu haben wir kommerziell verfügbare Piezo-Aktoren in Aktion mit Laser-Raman-Spektroskopie und Röntgenmethoden untersucht.” Für derartige Untersuchungen braucht es sehr genau fokussierbare hochenergetische Röntgenstrahlung, wie sie nur bei Teilchenbeschleunigern ähnlich jenen im Kernforschungszentrum CERN entsteht. Damit ließe sich das Material durchleuchten und die Positionen der Atome genau abbilden.
Deluca nutzte hierfür eine Zusammenarbeit mit der North Carolina State University, bei deren Teilchenbeschleuniger (Advanced Photon Source) die Messungen durchgeführt wurden. “Die Raman-Spektroskopie hingegen liefert die durchschnittliche Gitterorientierung, also die Orientierung der Domänen, im Mikrometer-Bereich und ergänzt deshalb die Röntgen-Experimente auf einer unterschiedlichen Längenskala. Ein derartiges Raman-Equipment gibt es bereits in Leoben”, erklärt Deluca.
Bei den Untersuchungen zeigte sich, dass die mechanische Vorspannung die Orientierung der Domänen verändert: Die Vorspannung ordnet die Domänen in eine bestimmte Richtung senkrecht zur elektrischen Feldachse. Wenn sie nun elektrisch angeregt werden, können mehr Domänen umklappen als ohne vorgelegte mechanische Spannung. “Dadurch erzeugt man eine größere Veränderung in der Länge des Materials”, so Deluca. Mit diesem Wissen habe man nun die optimale Vorspannung für die technische Anwendung bestimmen können.
Risse vermeiden
Ein weiteres Ziel des Projekts war es, die Rissbildung zu verhindern. “Die Rissbildung lässt sich stoppen, wenn man die ursprüngliche Orientierung der ferroelektrischen Domänen steuern kann.” Dafür ist es nötig, abzubilden, in welche Richtung die Domänen orientiert sind. “Eines der Ziele unseres Projekts war, Methoden zu finden und zu verfeinern, die die Orientierung von ferroelektrischen Domänen messen können.”
Viele Anwendungen möglich
Dieses Wissen werde bereits industriell verwendet, berichtet Deluca. Nicht nur die Automobilindustrie ist an dieser Entwicklung interessiert, auch andere Technologiezweige setzen auf Piezoelektrizität. “Das Problem ist letztlich immer: Welche Orientierung ist die beste für die Anwendung? Wie lässt sich die Orientierung von Domänen verändern? Welche Belastung ist möglich, ohne sie zu zerstören? Das wird vor allem für Energy Harvesting oder für energieautarke Sensoren interessant sein.” Auch in der Medizin gibt es Anwendungsmöglichkeiten. “In allen diesen Bereichen wird aus Verformung Energie gewonnen. Das Material, das wir analysiert haben, kann dafür verwendet werden”, sagt Deluca.
Zur Person
Marco Deluca (https://www.mcl.at/unternehmen/mitarbeiterinnen/mitarbeiterdetail/marco-deluca/) ist Materialforscher in der Mikroelektronik-Gruppe am Materials Center Leoben (https://www.mcl.at/) (MCL). Er leitet die Forschungsgruppe für funktionale Materialien, die sich besonders für die strukturellen Eigenschaften von Halbleitern und Keramiken sowie für die Abscheidung dünner Oxidschichten mittels kostengünstiger Sprühverfahren interessiert. Deluca leitet aktuell ein weiteres FWF-Projekt über Relaxor-Materialien, welche eine ungeordnete Art von ferroelektrischen Keramiken sind. Im Projekt, das bis Ende 2019 läuft, wird eine Kombination von Raman-Spektroskopie und atomistischer Modellierung angewendet, um Struktur-Eigenschaft-Beziehungen in Relaxoren zu ermitteln, letztlich mit dem Ziel, den atomistischen Grund von Relaxor-Eigenschaften zu enthüllen. Marco Deluca ist auch Privatdozent an der Montanuniversität Leoben.
Publikationen
P. Kaufmann, S. Röhrig, P. Supancic, and M. Deluca: “Influence of ferroelectric domain texture on the performance of multilayer piezoelectric actuators” (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221916306823?via%3Dihub), Journal of the European Ceramic Society 37, 2017
G. Esteves, C. Fancher, S. Röhrig, G. Maier, J. Jones, M. Deluca: “Electric-field-induced structural changes in multilayer piezoelectric actuators during electrical and mechanical loading” (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645417302963), Acta Materialia 132, 2017
S. Röhrig, C. Krautgasser, R. Bermejo, J. L. Jones, P. Supancic, and M. Deluca: “Quantification of crystalline texture in ferroelectric materials by polarized Raman spectroscopy using Reverse Monte Carlo modelling” (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221915300868?via%3Dihub), Journal of the European Ceramic Society 35, 2015
Bild und Text ab Montag, 30. Oktober 2017 ab 9.00 Uhr MEZ verfügbar unter: http://scilog.fwf.ac.at
Wissenschaftlicher Kontakt
Priv.-Doz. Dr. Marco Deluca
Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL)
Roseggerstraße 12
8700 Leoben
T +43 / 3842 / 45922 – 530
M +43 / 0664 2604 373
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