铁电材料的疲劳失效行为

在航空航天、核能发电等重大装备技术领域,作为高温传感/驱动/能量收集器件的敏感材料——铋层状结构铁电(BLSF)陶瓷在复杂载荷环境下的疲劳失效问题严重限制着器件寿命和可靠性的提高.本文以BLSF陶瓷的应用需求为背景,围绕铁电材料的疲劳裂纹扩展与电畴极化翻转及其相互作用机制等关键问题,综述了铁电材料在热、力、电三种载荷及其耦合作用下疲劳失效行为的研究现状,并根据当前铁电材料的一些新发展、新应用对其未来研究方向进行了展望,旨在为高性能、长寿命铁电/压电器件设计提供参考.

0.06BiYbO_(3)-0.94Pb(Zr_(0.48)Ti_(0.52))O_(3)三元系压电陶瓷的氧化物掺杂改性研究

针对新一代声波测井仪器对其核心元件压电陶瓷兼具高居里温度、高压电系数以及高稳定性要求的迫切需求,本文采用传统的固相反应-无压烧结技术制备了一种0.06BiYbO_(3)-0.94Pb(Zr_(0.48)Ti_(0.52))O_(3)(BY-PZT)三元系压电陶瓷,并研究了四种氧化物掺杂对其微观结构及电学性能的影响。由XRD和SEM表征可知所有样品均呈纯四方相钙钛矿结构,掺杂Cr_(2)O_(3)的样品平均晶粒尺寸最大。介电温谱和谐振频谱研究证实四种氧化物掺杂均能提高其介电性能的温度稳定性。掺杂La_(2)O_(3)的样品介电常数温度系数(Tk_(ε))最低,掺杂MnO_(2)的样品机械品质因素(Q_(m))最高,而掺杂CeO_(2)的样品抗热退极化性能最好。高温复阻抗(Cole-Cole图)分析表明,Cr_(2)O_(3)掺杂能够显著提高BY-PZT陶瓷的高温电阻率,陶瓷在高温下的电导行为主要由晶界响应控制。综合来看,掺杂La_(2)O_(3)的样品兼具高居里温度(T_(C)=397℃)和高压电系数(d_(33)=290 pC/N),并且在300℃退火4 h后d_(33)仍能保持在270 pC/N左右,有望在极限工作温度为300℃的高温压电器件中获得应用。

压电陶瓷粉末干压成型模具设计及强度校核

压电陶瓷广泛应用于传感、驱动、超声、换能等各种电子装备,是一种重要的信息功能材料.本研究针对实验室研发常用的样品尺寸,结合模压成型理论,设计了一套可将压电陶瓷粉末干压成型为小圆片坯体的成型模具.首先给出了模具整体结构、零件尺寸、选材要求及装配方式;然后根据材料的许用应力和参考陶瓷坯体裂纹形成的力学条件,确定最大压制力;最后在模具的受力分析基础上,对模具进行了全面的强度校核.计算结果表明:该模具的设计强度能够满足实验室研发的工艺要求、并且操作方便、性价比高.

铈掺杂PZN-PZT三元系压电陶瓷的烧结特性研究

采用传统的固相反应法制备了掺杂0.2 wt.%CeO_(2)的0.3Pb(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O3-0.7Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O3(0.3PZN-0.7PZT-0.2Ce)三元系压电陶瓷,并研究了烧结温度(1190~1260℃)对其相结构、微观形貌以及电学性能的影响。XRD和SEM分析发现:所有烧结样品均呈纯的钙钛矿相结构,随着烧结温度的升高,陶瓷样品的相结构从三方相逐渐转变为四方相,1230℃烧结得到的样品由三方相和四方相共存;当烧结温度高于1230℃过后,晶粒开始显著长大,直至液相始出现。介电温谱研究证实:随着烧结温度的升高,0.3PZN-0.7PZT-0.2Ce陶瓷的居里温度(Tc)逐渐升高而介电损耗因子(tanδ)逐渐降低,1230℃烧结得到的样品介电常数(ε_(r))最大而温度系数(TKε)最小。压电性能以及谐振-反谐振测试表明:提高烧结温度有助于提升陶瓷的压电性能(d_(33))和机电耦合性能(kp),但过高的烧结温度(1260℃)也会使得性能恶化。综合来看:1250℃烧结得到的样品电学性能最佳:Tc=293℃,d_(33)=515 pC/N,kp=67%,ε_(r)=2493,TKε(120℃)=6.22×10^(-3)/℃,tanδ=0.017。