Lebensdauer flächiger, piezokeramischer Wandler im Sensor- und Aktoreinsatz

Im vorliegenden Beitrag werden Untersuchungen zu Belastungsgrenzen und Ermüdungsverhalten von flächigen, piezokeramischen Wandlermodulen unter mechanischer Zugbelastung vorgestellt und analysiert. Im Fokus stehen dabei typische Versagensmechanismen und die Identifikation geeigneter, mechanismenbasierter Modelle zur Versagens- und Lebensdaueranalyse. Die Wandlermodule bestehen aus einer in Epoxidharz eingebetteten, monolithischen, piezokeramischen Platte aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Unter Zugbelastung werden Risse in der Piezokeramik als typischer Schädigungsmechanismus identifiziert, der zu einer Degradation der Sensor- und Aktorfunktion der Module führt. Zur Analyse der Spannungen im Modul mittels finite Elemente (FE) Simulation werden verschiedene Materialmodelle für die Piezokeramik verglichen. Ein Mikrorisswachstum-basiertes Schädigungsmodell wird zur Analyse der Lebensdauer eingesetzt und die Materialparameter zur Beschreibung des Ermüdungsrissfortschritts ermittelt. Der Einfluss der Fragmentierung der PZT-Platte auf die Funktionswirkung der Module wird mit Hilfe des Schubübertragungsmodells in sehr guter Übereinstimmung mit Versuchsergebnissen abgebildet.