Anwendung der Johnson-Näherung in der Finite-Elemente-Modellierung für elektrisch feldabhängige Materialien

Johnsons Näherung wird in einem Finite-Elemente-Code implementiert, um die elektrische Feldabhängigkeit eines Kern-Schale-Mikrostrukturmaterials zu simulieren. Wir zeigen, wie die Mikrostruktur, die hier auf einem Volumenanteil von 50:50 basiert, die gemessene effektive Permittivität als Funktion der angelegten Spannung beeinflusst. Unter Verwendung eines Johnson-Parameters von β = 1.0 × 1010 Vm5/C3, der anhand von handelsüblichen BaTiO3-basierten Mehrschichtkeramikkondensatoren (MLCC) verifiziert wurde, zeigen wir, wie die Mikrostruktur und der Unterschied in der Kern- und Schalenleitfähigkeit die erzeugten lokalen Felder verändern und wie dies die Spannungsabhängigkeit der effektiven Permittivität beeinflusst. Systeme, die aus einem leitfähigen kernähnlichen Material bestehen, das von einer widerstandsfähigen Schale umgeben ist, weisen eine geringe oder mäßige Spannungsabhängigkeit auf, da das Schalenmaterial große elektrische Felder innerhalb der Kerne abschirmt. Umgekehrt tritt eine erhebliche Spannungsabhängigkeit auf, wenn das Kernmaterial einen höheren Widerstand aufweist als das Schalenmaterial, wobei Simulationen eine Abnahme der effektiven Permittivität um über 50 % zeigen. Diese Simulationen ermöglichen ein besseres Verständnis der Spannungsabhängigkeit und bieten eine Methode zur Unterstützung des Designs zukünftiger Materialien für MLCCs mit verbesserter Leistung.