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，其具有豐富的細微觀結(jié)構(gòu)特征與強力-電耦合效應(yīng)，在壓力、溫度、電場等外場誘導下極易發(fā)生結(jié)構(gòu)相變并伴隨著力學和電學等性能的顯著變化。在外場作用下，特別是沖擊機械載荷下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）釋放束縛電荷而產(chǎn)生強的電流/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、力學、電學的多學科交叉領(lǐng)域，其在外場作用下的力-電耦合相變特征、放電機制及其力-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)性科學問題與熱點課題。針對PZT95/5鐵電材料的FE-AFE相變動力學過程以及靜電場、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（如電場、力場等）作用下鐵電-反鐵電相變動力學模型?；谠摾碚撃Ｐ停闹锌紤]機械載荷如靜水壓作用下的PZT95/5相變自由能、極化強度及力學特性隨靜水壓的演化特征，并揭示了溫度對其鐵電-順電、反鐵電-順電相變過程的影響及規(guī)律。
　　其次，針對 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)部裂紋導電通道處電能與機械能轉(zhuǎn)化特征、通道端部局部電場集中效應(yīng)，建立一刻畫鐵電陶瓷材料通道電擊穿失效的臨界電場預(yù)測模型。該理論模型可將臨界擊穿電場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)測了不同孔隙率材料的擊穿場強，與實驗結(jié)果吻合良好；給出了擊穿電場強度隨材料孔隙率、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、電學及力電耦合特征的復(fù)雜動力學過程，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)的理論和機制研究相對匱乏。進一步，針對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強預(yù)測的理論研究?；赑ZT95/5鐵電陶瓷沖擊加載下強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式，結(jié)合穩(wěn)定最大放電的極限值以及靜電場下?lián)舸┦Ｐ?，建立了PZT95/5沖擊加載下電擊

6、穿失效的上、下臨界電場預(yù)測模型，通過與實驗結(jié)果的對比表明：實驗結(jié)果介于預(yù)測的上、下臨界電場之間，該模型能夠較好地預(yù)測PZT95/5沖擊加載下的擊穿電場強度、給出合理的預(yù)測范圍。盡管該模型僅給出了上、下臨界擊穿電場場強的較大范圍，但是這是現(xiàn)有文獻中PZT95/5鐵電材料沖擊加載下力-電失效電擊穿臨界場預(yù)測的首個模型。為了進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強度隨材料孔隙率、外負載電阻、沖擊波速的變化規(guī)律，相

7、關(guān)結(jié)果與預(yù)測特征與已有實驗結(jié)果定性上相一致。
　　最后，針對沖擊加載后的回收PZT95/5鐵電材料以及極化、未極化PZT95/5鐵電材料的力學性能，我們基于納米壓痕實驗測試手段開展了其壓痕力學測試及細微觀相變特征的初步研究。采用連續(xù)剛度加載方式，測試了材料的彈性模量及硬度，對比分析了極化及未極化PZT95/5鐵電樣品的力學性能參數(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