Piezoglaskeramik

Piezoelektrische Glaskeramiken (links) sind bleifrei und temperaturstabil bis 600°C. Den Weg zur Produktentwicklung des neuartigen Materials ebneten die SCHOTT Forscher auch mit speziellen Laborgüssen (rechts). (Fotos: A. Stephan)
Heribert Herrgen

Ein Material schafft Spannung und Bewegung

Erstmals ist es Forschern gelungen, piezoelektrische Glaskeramiken vom Labor in die Produktentwicklung zu überführen. Die bleifreien Werkstoffe bieten völlig neue Qualitäten.

Piezoelektrische Materialien können mechanische Energie in elektrische umwandeln und umgekehrt. Sie dehnen sich beim Anlegen einer Spannung schnell und präzise aus. Dieser Effekt wird in der Halbleiterfertigung schon seit langem genutzt: Bei der Nanopositionierung von Werkstücken geht es um Bewegungen von einem Millionstel Millimeter.

Piezoelektrische Materialien werden auch als Sensoren zur Bestimmung von Druck- oder Schwingungsänderungen eingesetzt. Typische Anwendungsfelder sind die Medizintechnik, etwa die Ultraschalldiagnostik, und der Fahrzeugmotorenbau. Piezogetriebene Einspritzventile in Dieselmotoren erreichen wesentlich kürzere Stellzeiten als klassische Magnetventile, reduzieren den Verbrauch und erhöhen Laufruhe und Abgasqualität. Als Sensoren verbessern Elemente aus piezoelektrischem Material zudem Sicherheitssysteme am Fahrzeug, etwa Airbags oder Abstandsanzeiger.

Der Piezoeffekt natürlicher monokristalliner Materialien wie Quarz oder Turmalin ist sehr gering. Mit polykristallinen ferroelektrischen Keramiken wie Barium-Titanat und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) wurden bessere Einsatzergebnisse erzielt. PZT-Piezokeramik ist vielfältig verfügbar und heute die wohl am häufigsten verwendete Keramik für Sensoranwendungen oder für Aktoren, die schnell und präzise etwas bewegen sollen. Blei ist dabei noch immer ein essenzieller Bestandteil, beeinträchtigt aber Umwelt und Gesundheit.
Vor allem der Motorenbau setzt Piezotechnik ein: Mit solchen Piezo-Inline-Injektoren können Diesel- Einspritzsysteme Kraftstoffverbrauch, Emissionen und Intensität der Laufgeräusche senken. (Foto: Bosch)
Keramikhersteller konnten bleifreie Alternativen bisher nur eingeschränkt verfügbar machen. Und ungeachtet ihrer zahlreichen Einsatzfelder lassen PZT-Keramiken in Sachen Temperaturstabilität, Performance und Haltbarkeit häufig zu wünschen übrig. Genau solche Vorzüge bietet nun ein neu entwickeltes Material: piezoelektrische Glaskeramik. „Wir kombinieren die piezoelektrischen Eigenschaften bleifreier Kristalle mit den SCHOTT Technologien der Glas- und Glaskeramikherstellung, vor allem hinsichtlich der vielfältigen Möglichkeiten der Formgebung”, erläutert SCHOTT Forscherin Dr. Ina Mitra. So entwickelte SCHOTT Glaskeramiken, die einige bessere piezo-elektrische Eigenschaften aufweisen als bestehende Materialien und die bleifrei sind. Ein großer Vorteil, denn dadurch können die aktuellen Richtlinien zur Reduzierung gesundheitsgefährdender Bestandteile, zum Beispiel die europäischen RoHS (Restriction on Hazardous Substances)- Bestimmungen, eingehalten werden. Und zwar bei der Herstellung, Nutzung und Entsorgung dieser Materialien.

Einige Arten des neuen Werkstoffs sind zudem transparent und können ihre piezoelektrischen Eigenschaften bei Temperaturen von bis zu 600° C entfalten. Dr. Ina Mitra: „Hieraus eröffnen sich in naher Zukunft weitere Produktchancen für diese Materialinnovation, etwa in Hochtemperaturbereichen oder dort, wo bisher nur teure Einkristalle zum Einsatz kamen.”