PZT95-5鐵電陶瓷材料力-電響應(yīng)及擊穿失效研究.pdf

1、PZT95/5鐵電陶瓷是一類處于鐵電相(FE)與反鐵電相(AFE)相界附近的特殊鐵電功能性材料，其具有豐富的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)特征與強(qiáng)力-電耦合效應(yīng)，在壓力、溫度、電場(chǎng)等外場(chǎng)誘導(dǎo)下極易發(fā)生結(jié)構(gòu)相變并伴隨著力學(xué)和電學(xué)等性能的顯著變化。在外場(chǎng)作用下，特別是沖擊機(jī)械載荷下PZT95/5鐵電陶瓷能夠?qū)崿F(xiàn)FE-AFE相變的迅速轉(zhuǎn)換，快速（微秒量級(jí)）釋放束縛電荷而產(chǎn)生強(qiáng)的電流/電壓輸出，在高功率爆電電源、軍工和核技術(shù)等高新技術(shù)裝置與特殊裝備領(lǐng)域有著極為重要

2、的應(yīng)用。
　　由于PZT95/5鐵電陶瓷的FE-AFE相變過程與快速放電響應(yīng)是一涉及材料科學(xué)、力學(xué)、電學(xué)的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，其在外場(chǎng)作用下的力-電耦合相變特征、放電機(jī)制及其力-電失效一直是該類鐵電功能材料在工程與應(yīng)用研究領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性科學(xué)問題與熱點(diǎn)課題。針對(duì)PZT95/5鐵電材料的FE-AFE相變動(dòng)力學(xué)過程以及靜電場(chǎng)、沖擊加載下的力-電耦合作用的電擊穿失效等，本文開展了較為系統(tǒng)的理論和定量研究。
　　首先，考慮PZT95/5鐵

3、電相變過程中的FE和AFE共存的特征，我們從鐵電宏觀唯象理論及 Kittel反鐵電相表征關(guān)系建立了一描述多場(chǎng)（如電場(chǎng)、力場(chǎng)等）作用下鐵電-反鐵電相變動(dòng)力學(xué)模型?；谠摾碚撃Ｐ?，文中考慮機(jī)械載荷如靜水壓作用下的PZT95/5相變自由能、極化強(qiáng)度及力學(xué)特性隨靜水壓的演化特征，并揭示了溫度對(duì)其鐵電-順電、反鐵電-順電相變過程的影響及規(guī)律。
　　其次，針對(duì) PZT95/5力-電失效的破壞現(xiàn)象，文中先從一類典型的電擊穿失效——靜電場(chǎng)下的鐵電

4、材料電擊穿問題出發(fā)，基于材料內(nèi)部裂紋導(dǎo)電通道處電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化特征、通道端部局部電場(chǎng)集中效應(yīng)，建立一刻畫鐵電陶瓷材料通道電擊穿失效的臨界電場(chǎng)預(yù)測(cè)模型。該理論模型可將臨界擊穿電場(chǎng)與鐵電材料介電常數(shù)、楊氏模量以及微結(jié)構(gòu)特征如孔隙率等參數(shù)建立有效關(guān)聯(lián)，較好地預(yù)測(cè)了不同孔隙率材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好；給出了擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度隨材料孔隙率、通道特征尺寸的變化規(guī)律等。鐵電材料沖擊加載下的行為是一涉及到力學(xué)、電學(xué)及力電耦合特征的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程，其

5、擊穿破壞是一復(fù)雜的多因素力電失效問題，目前與之相關(guān)聯(lián)的理論和機(jī)制研究相對(duì)匱乏。進(jìn)一步，針對(duì)PZT95/5另一類典型的力-電失效——作為爆電電源的核心材料在沖擊壓縮加載下的電擊穿問題，文中開展了電擊穿臨界場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)的理論研究?；赑ZT95/5鐵電陶瓷沖擊加載下強(qiáng)放電過程中的基爾霍夫電流源定律和電路分析，文中獲得了力-電轉(zhuǎn)化過程中電流\電壓輸出的解析表達(dá)式，結(jié)合穩(wěn)定最大放電的極限值以及靜電場(chǎng)下?lián)舸┦Ｐ?，建立了PZT95/5沖擊加載下電擊

6、穿失效的上、下臨界電場(chǎng)預(yù)測(cè)模型，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明：實(shí)驗(yàn)結(jié)果介于預(yù)測(cè)的上、下臨界電場(chǎng)之間，該模型能夠較好地預(yù)測(cè)PZT95/5沖擊加載下的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、給出合理的預(yù)測(cè)范圍。盡管該模型僅給出了上、下臨界擊穿電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的較大范圍，但是這是現(xiàn)有文獻(xiàn)中PZT95/5鐵電材料沖擊加載下力-電失效電擊穿臨界場(chǎng)預(yù)測(cè)的首個(gè)模型。為了進(jìn)一步考察模型的有效性，文中還討論了PZT95/5沖擊加載下輸出電場(chǎng)強(qiáng)度隨材料孔隙率、外負(fù)載電阻、沖擊波速的變化規(guī)律，相

7、關(guān)結(jié)果與預(yù)測(cè)特征與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性上相一致。
　　最后，針對(duì)沖擊加載后的回收PZT95/5鐵電材料以及極化、未極化PZT95/5鐵電材料的力學(xué)性能，我們基于納米壓痕實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段開展了其壓痕力學(xué)測(cè)試及細(xì)微觀相變特征的初步研究。采用連續(xù)剛度加載方式，測(cè)試了材料的彈性模量及硬度，對(duì)比分析了極化及未極化PZT95/5鐵電樣品的力學(xué)性能參數(shù)，獲得了三類樣品不同壓入深度下的載荷-位移曲線以及壓痕局部特征。借助原子力顯微鏡觀察不同壓入深度處表面