PZT95/8铁电陶瓷的介电击穿机理研究

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PZT95/5铁电陶瓷是爆电换能器件的核心材料,在尖端技术领域有重要的应用。冲击波压缩下PZT95/5铁电陶瓷的电击穿不仅影响爆电换能器件的输出功率,更影响系统工作的可靠性,是当前PZT95/5铁电陶瓷在工程应用中的核心问题。本论文以揭示冲击波下PZT95/5铁电陶瓷的击穿机理为目的,通过铁电陶瓷低温性能的研究,结合动态放电的理论模型探索致密PZT95/5铁电陶瓷低温下完全击穿的机理;通过力学性能研究、微结构分析探索多孔PZT95/5铁电陶瓷的微结构(孔隙率、孔径)对力学性能的影响以及多孔PZT95/5铁电陶瓷具有较高抗电击穿概率的机理。   采用添加造孔剂的方法,通过固相烧结制备了孔隙率从5%至18%,孔径从1.8μm至60μm的不同微观结构的PZT95/5铁电陶瓷。   系统研究了致密PZT95/5铁电陶瓷的低温性能。变温XRD衍射结果表明,低温下极化及未极化的PZT95/5铁电陶瓷均未发生显著的结构变化;力/电学性能研究表明,PZT95/5铁电陶瓷的断裂韧性、剩余极化、电阻率、损耗变化都很小,说明铁电陶瓷低温下的电击穿强度没有发生降低。而铁电陶瓷的介电常数则随温度降低呈现线性下降,从30℃时的278下降至-60℃时的173。结合Lysne et al建立的PZT95/5铁电陶瓷横向冲击放电模型,推断低温下介电常数下降,将导致冲击波下材料动态电场的增大,在-60℃达到30℃时动态电场的1.5倍。基于介电击穿概率的Weibull分析,低温下动态电场的显著增大,将使得材料在冲击波作用下击穿概率急剧增大,有望解释低温冲击实验中铁电陶瓷完全击穿的机理。   系统研究了PZT95/5铁电陶瓷的断裂韧性。不同极化状态PZT95/5铁电陶瓷的断裂韧性研究表明,300 MPa等静压应力去极化的铁电陶瓷因铁电和反铁电相共存增韧具有最高的断裂韧性,而单一相的极化铁电陶瓷和未极化铁电陶瓷因相结构的不同依次减小。铅过量度的增加使得材料中氧化锆相的减少,晶界富铅相增加,断裂韧性降低。研究了气孔对铁电陶瓷力学性能的影响,发现当孔隙率小于8%时,极化的PZT95/5铁电陶瓷的断裂韧性随气孔率下降变化不明显,而孔隙率继续增大时,孔洞团聚形成大的缺陷,造成材料断裂韧性急剧下降;而孔径对极化的铁电陶瓷断裂韧性影响很小,但应力去极化后大孔的铁电陶瓷表现出更高的断裂韧性。基于孔洞对铁电陶瓷应力诱导相变的影响,建立了应力去极化后陶瓷孔洞周边的应力模型,认为应力去极化后孔周边铁电相的存在是抑制微裂纹扩展的重要因素,指出其可能是多孔铁电陶瓷具有优良抗电击穿性能的重要原因。
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