Piezoelektrik

Piezoelektrik bezeichnet die Eigenschaft bestimmter Kristalle, Keramiken oder Polymere, elektrische Ladung an ihrer Oberfläche zu erzeugen, wenn mechanischer Stress darauf wirkt. Umgekehrt bewirkt ein angelegtes elektrisches Feld eine mechanische Verformung des Materials. Dieser direkte und der inverse Piezoelektrische Effekt bilden die Grundlage für eine Vielzahl von Sensoren, Aktoren und Transduktionsbauteilen. Die Piezoelektrizität tritt in Materialien auf, die kein Zentrum der Symmetrie besitzen, typischerweise in bestimmten Kristallklassen und in einigen Polymeren.

Zu den klassischen piezoelektrischen Materialien gehören Naturkristalle wie Quarz (SiO2) und Rochelle-Salz sowie synthetische Keramiken wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Weitere Vertreter sind Bariumtitanat, PbTiO3 und Ferroelektrika wie PMN-PT. Die direkte Wirkung nutzt die Verschiebung der Ladungsträger durch mechanische Spannungen; die inverse (converse) Wirkung entsteht durch das Verdrängen der Gitterpositionen bei elektrischer Feldanwendung, was zu messbaren Dehnungen führt. Die Effizienz wird durch den elektro-mechanischen Kopplungsfaktor und die Temperaturstabilität bestimmt.

Piezoelektrische Materialien finden breite Anwendung in Sensoren (Druck, Beschleunigung, Schwingungen), Aktoren (Präzisionspositionierung, Mikropositionierung, Piezoaktoren), Wandlern (Ultraschall, Sonar, NDT), sowie in Zündsystemen und Injektoren. In der Medizin werden piezoelektrische Transducer für Ultraschallbildgebung genutzt. Quarz bleibt wegen seiner Temperaturstabilität und Linearität in vielen Frequenzbereichen bevorzugt, während keramische Werkstoffe wie PZT große Verstärkungen ermöglichen.

Typische Eigenschaften umfassen den piezoelektrischen Koeffizienten, die Dielektrizitätskonstante, die mechanische Festigkeit und die Frequenzabhängigkeit. Piezoelektrische Materialien können im Betrieb alteren (Fatigue) und ihre Eigenschaften temperaturabhängig variieren. Fortgeschrittene keramische Werkstoffe wie ferroelectrische Mischungen verbessern die Kopplung, leiden aber oft unter Umwelteinflüssen wie Hysterese.