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Hochspannende Interferometrie

PTB-Interferometer für präzise Längenmessungen wurde speziell für die Messung der Längenänderung funktionaler Materialien angepasst

PTB-News 2.2015
10.06.2015
Besonders interessant für

Hersteller funktioneller Materialien

Automobilindustrie

Luftfahrttechnik

Messtechnik

In der PTB wurde erstmals die piezoelektrisch induzierte Längenänderung von funktionalen Materialien bei hohen Temperaturen lateral aufgelöst gemessen. Zu diesem Zweck wurde eine neue Probenumgebung entwickelt, die sich in das bestehende Interferometer für präzise Längenmessungen integrieren lässt.

Höhentopografie der PZT-Probe (Durchmesser: 15 mm, Dicke: 2 mm) bei 20 °C und 100 °C mit und ohne angelegte Spannung

Funktionale Materialien, wie z. B. Piezokeramiken, finden Anwendung in zahlreichen Einsatzgebieten, u. a. Automobilindustrie, Luftfahrttechnik, Messtechnik, Energieerzeugung oder Prozessüberwachung. Zunehmend wird auch der Einsatz bei hohen Temperaturen angestrebt. Die Entwicklung derartiger neuer Materialien mitsamt der entsprechenden Mess-Infrastruktur ist das Ziel des europäischen Kooperationsprojekts METCO. Konkret geht es darum, die Kopplung zwischen mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften in einem großen Temperaturbereich messen zu können. Aufgabe der PTB ist es dabei, Längenänderungen bei hohen Temperaturen (derzeit bis 200 °C) und angelegtem elektrischen Feld  (–2  kV/mm bis +2  kV/mm) interferometrisch zu messen. Dazu wurde in der PTB eine spezielle Probenumgebung entwickelt und mit einer kommerziell erhältlichen Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT) bei verschiedenen Temperaturen getestet.

Aus der gemessenen piezoelektrisch induzierten Längenänderung wurde der piezoelektrische Verzerrungskoeffizient bei 20 °C sowie bei 100 °C ermittelt. Die Ergebnisse stimmen mit Messungen überein, die von Kooperationspartnern mit kommerziellen Messsystemen durchgeführt worden sind, und ließen sich auch an anderen untersuchten Proben reproduzieren. Der Vorteil des PTB-Interferometers liegt darin, dass es sich um ein abbildendes System handelt, sodass nicht nur punktweise Längenmessungen möglich sind, sondern die ortsaufgelöste Längenvariation (Längentopografie) der kompletten Probeno-berfläche gemessen werden kann. Dies liefert zusätzliche Informationen, z. B. über Inhomogenitäten oder Randeffekte.

Nach den erfolgreichen ersten Tests werden im weiteren Verlauf die vom Projektpartner Universität Leeds (UK) neu entwickelten Hochtemperatur-Piezomaterialien untersucht.

Ansprechpartner

Guido Bartl
Fachbereich 5.4 Interferometrie an Maßverkörperungen
Telefon (0531) 592-5411
E-Mail: guido.bartl(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

T. Stevenson, T. Quast, G. Bartl, T. Schmitz-Kempen, P. Weaver: Surface mapping of field-induced piezoelectric strain at elevated temperature employing full-field interferometry. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 62, 88–96 (2015)