PZT95/5铁电陶瓷材料力-电响应及击穿失效研究

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PZT95/5铁电陶瓷是一类处于铁电相(FE)与反铁电相(AFE)相界附近的特殊铁电功能性材料，其具有丰富的细微观结构特征与强力-电耦合效应，在压力、温度、电场等外场诱导下极易发生结构相变并伴随着力学和电学等性能的显著变化。在外场作用下，特别是冲击机械载荷下PZT95/5铁电陶瓷能够实现FE-AFE相变的迅速转换，快速（微秒量级）释放束缚电荷而产生强的电流/电压输出，在高功率爆电电源、军工和核技术等高新技术装置与特殊装备领域有着极为重要的应用。
　　由于PZT95/5铁电陶瓷的FE-AFE相变过程与快速放电响应是一涉及材料科学、力学、电学的多学科交叉领域，其在外场作用下的力-电耦合相变特征、放电机制及其力-电失效一直是该类铁电功能材料在工程与应用研究领域中的基础性科学问题与热点课题。针对PZT95/5铁电材料的FE-AFE相变动力学过程以及静电场、冲击加载下的力-电耦合作用的电击穿失效等，本文开展了较为系统的理论和定量研究。
　　首先，考虑PZT95/5铁电相变过程中的FE和AFE共存的特征，我们从铁电宏观唯象理论及 Kittel反铁电相表征关系建立了一描述多场（如电场、力场等）作用下铁电-反铁电相变动力学模型。基于该理论模型，文中考虑机械载荷如静水压作用下的PZT95/5相变自由能、极化强度及力学特性随静水压的演化特征，并揭示了温度对其铁电-顺电、反铁电-顺电相变过程的影响及规律。
　　其次，针对 PZT95/5力-电失效的破坏现象，文中先从一类典型的电击穿失效——静电场下的铁电材料电击穿问题出发，基于材料内部裂纹导电通道处电能与机械能转化特征、通道端部局部电场集中效应，建立一刻画铁电陶瓷材料通道电击穿失效的临界电场预测模型。该理论模型可将临界击穿电场与铁电材料介电常数、杨氏模量以及微结构特征如孔隙率等参数建立有效关联，较好地预测了不同孔隙率材料的击穿场强，与实验结果吻合良好；给出了击穿电场强度随材料孔隙率、通道特征尺寸的变化规律等。铁电材料冲击加载下的行为是一涉及到力学、电学及力电耦合特征的复杂动力学过程，其击穿破坏是一复杂的多因素力电失效问题，目前与之相关联的理论和机制研究相对匮乏。进一步，针对PZT95/5另一类典型的力-电失效——作为爆电电源的核心材料在冲击压缩加载下的电击穿问题，文中开展了电击穿临界场强预测的理论研究。基于PZT95/5铁电陶瓷冲击加载下强放电过程中的基尔霍夫电流源定律和电路分析，文中获得了力-电转化过程中电流\电压输出的解析表达式，结合稳定最大放电的极限值以及静电场下击穿失效模型，建立了PZT95/5冲击加载下电击穿失效的上、下临界电场预测模型，通过与实验结果的对比表明：实验结果介于预测的上、下临界电场之间，该模型能够较好地预测PZT95/5冲击加载下的击穿电场强度、给出合理的预测范围。尽管该模型仅给出了上、下临界击穿电场场强的较大范围，但是这是现有文献中PZT95/5铁电材料冲击加载下力-电失效电击穿临界场预测的首个模型。为了进一步考察模型的有效性，文中还讨论了PZT95/5冲击加载下输出电场强度随材料孔隙率、外负载电阻、冲击波速的变化规律，相关结果与预测特征与已有实验结果定性上相一致。
　　最后，针对冲击加载后的回收PZT95/5铁电材料以及极化、未极化PZT95/5铁电材料的力学性能，我们基于纳米压痕实验测试手段开展了其压痕力学测试及细微观相变特征的初步研究。采用连续刚度加载方式，测试了材料的弹性模量及硬度，对比分析了极化及未极化PZT95/5铁电样品的力学性能参数，获得了三类样品不同压入深度下的载荷-位移曲线以及压痕局部特征。借助原子力显微镜观察不同压入深度处表面形貌，进一步判断和获得不同深度处突变点对应的力学变形及相变特征等。

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作者
蒋一萱;
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作者单位

兰州大学;

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授予单位兰州大学;
学科力学、工程力学
授予学位博士
导师姓名王省哲;
年度 2015
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类基础理论;
关键词
铁电陶瓷; 功能性材料; 力-电响应; 击穿失效; FE-AFE相变;

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