多孔PZT95/5铁电陶瓷材料研究进展

基于铁电材料冲击波去极化效应的高功率脉冲电源在国防和高新技术领域具有重要应用。PZT95/5铁电陶瓷是目前铁电体高功率脉冲电源应用的理想材料。近年来,多孔PZT95/5铁电陶瓷被发现具有更优异的综合性能而引起广泛关注。本文概述了多孔PZT95/5铁电陶瓷在微结构与性能调控、冲击波加载下的响应行为以及抗冲击损伤机制等方面的最新进展。研究发现,具有合适气孔率和气孔分布的多孔PZT95/5铁电陶瓷具有优异的抗冲击损伤和耐电击穿性能;多孔脆性材料中破碎介质的"滑移与转动"变形机制增强了材料的塑性变形,从而提高了多孔材料的抗冲击损伤性能。最后,简要介绍了BNT基无铅铁电陶瓷以及PIN-PMN铁电单晶在高功率脉冲电源方面应用的研究进展,并对未来研究工作提出展望。

多孔PZT95/5铁电陶瓷的机械性能和铁电性能研究

采用添加造孔剂的方法制备多孔锆钛酸铅(PZT95/5)铁电陶瓷,研究了孔结构包括孔隙率、孔径及孔形状对多孔PZT95/5陶瓷机械性能和电性能的影响及机理,并揭示多孔PZT95/5陶瓷微观结构、机械性能和铁电性能的内在联系。研究表明:孔隙率的增加降低了多孔PZT95/5陶瓷的声阻抗,改善了陶瓷与封装材料的声阻抗匹配.孔隙率增加,多孔PZT95/5陶瓷的屈服应力和剩余极化强度降低,矫顽场强增大。孔结构对多孔PZT95/5陶瓷屈服应力的影响可由应力集中理论解释;多孔PZT95/5陶瓷剩余极化强度随孔结构的变化可用内应力结合空间电荷理论加以解释。

静电场中多孔PZT95/5铁电陶瓷的通道电-机械击穿模型及分析

作为爆电电源的多孔PZT95/5铁电陶瓷具有极为重要的工程应用背景,但它在强电场作用下易发生电击穿失效,从而影响其放电效率,甚至造成电源失效。基于多孔PZT95/5铁电陶瓷材料在外电场作用下内部形成导电通道以致电失效的机制,通过通道内部局部放电及通道电-机械击穿机理,建立了导电通道诱导的多孔铁电陶瓷的电击穿模型并进行了相关的理论分析。基于本模型,给出了不同孔隙率下铁电陶瓷的电击穿临界电场强度,预测结果与实验测试结果吻合良好,且材料孔隙率越大,内部电击穿通道的特征尺寸越大,导致铁电陶瓷材料的电击穿临界场强显著降低。

多孔PZT 95/5铁电陶瓷的孔隙率与电性能

以不均匀粒度的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球为造孔剂,用造孔剂燃烧工艺(BURPS)制备了多孔PZT 95/5铁电陶瓷。研究PMMA的添加量对多孔PZT 95/5铁电陶瓷的物相组成、孔隙率和电性能的影响。X射线衍射分析显示PMMA的添加对陶瓷的物相组成没有影响,SEM结果显示PMMA微球在PZT 95/5铁电陶瓷中引入了与其大小相近的气孔;孔隙率结果表明多孔PZT 95/5铁电陶瓷的孔隙率随着坯体中PMMA的体积分数增加而增加;电性能方面,电滞回线测试和介电温谱测试结果分别表明样品的剩余极化强度和介电常数随着孔隙率的增加而减小。

冲击加载下PZT-95/5陶瓷铁电-反铁电相变实验研究

用石英计测量了PZT 95 5陶瓷在冲击波作用下发生铁电 -反铁电一级相变时产生的双波结构 ,相变起始压力约为 0 5GPa。对不同状态下的PZT 95 5陶瓷材料进行了扫描电镜电畴分析 ,结果表明 ,在该压力区域陶瓷发生了铁电 -反铁电相变。

PZT95/5铁电陶瓷晶粒度对冲击波作用下击穿电压的影响

在气炮加载条件下,分别测试了两种晶粒度的PZT95/5铁电陶瓷样品在冲击波作用下的击穿电压,并采用Weibull分布分析了所获得数据.结果表明,PZT95/5铁电陶瓷在冲击波作用下的击穿电压分布可以用二参数Weibull分布模型描述,从击穿电压密度分布函数和失效率函数来看,晶粒度为2.5μm的PZT95/5样品的击穿电压分布优于晶粒度为7μm的PZT95/5样品击穿电压分布.

PZT95/5铁电陶瓷脉冲源用于nF电容器充电

采用简化的物理模型 ,分析了以电容为负载的PZT95 /5铁电陶瓷在冲击波加载下的电响应规律以及极化能的释放和转移特性 ,并运用爆炸平面冲击波垂直加载技术 ,对其在nF电容器下的输出特性进行了试验研究。

斜入射冲击波加载下PZT95/5铁电陶瓷的放电特性研究

研究了冲击波倾斜入射PZT95/5铁电陶瓷时的放电特性。结果表明,在小负载条件下,随着入射倾斜角的增加,PZT95/5铁电陶瓷放电电流波形前沿变缓,脉宽时间增加,波形从单脉冲方波演变成梯形波,甚至锐变成三角波。

冲击压力和温度老化对PZT95/5铁电陶瓷放电的影响

利用轻气炮作为冲击波加载手段,分别在高冲击压力1.81,3.20和4.18GPa下,研究了低温老化、高温老化和未老化的自制PZT95/5铁电陶瓷的短路放电i-t曲线。结果显示:由于气孔洞塌缩的影响,1.81GPa时i-t曲线存在上升沿和下降沿;3.20GPa时i-t曲线与理论设想的方波基本吻合;4.18Gpa时,由于超过了PZT95/5铁电陶瓷的Hugoniot弹性极限,i-t曲线与理论设想的方波有较大差别;温度老化对其性能有一定的影响,特别是高温老化。

PZT95/5铁电陶瓷击穿的统计分析

采用垂直加载冲击波方式实验研究了 PZT95 / 5铁电陶瓷的电击穿现象。对实验数据的统计分析表明 ,PZT95 /5的击穿可用弱点击穿理论解释 ,符合 weibull分布 ,其几何效应参数≈

不同加载压力下PZT-95/5铁电陶瓷放电特性研究

利用轻气炮作为加载手段,对PZT-95/5铁电陶瓷进行冲击波压缩,以实现陶瓷受激相变放电。在涵盖了PZT-95/5陶瓷的相变压力点及雨贡纽弹性极限压力点的加载压力区间内,对其放电特性进行了实验研究。获得了不同加载压力下的PZT-95/5铁电陶瓷耐电击穿强度及剩余极化强度等特征参数,并分析和讨论了PZT-95/5在不同加载压力作用下的放电特性。

PZT95/5铁电陶瓷的掺杂改性研究

采用固相烧结法制备锆钛酸铅95/5(PZT95/5)材料,以“相同化合价,不同原子半径;相近原子半径,不同化合价”的原则,选择了碱金属族、碱土金属族元素的碳酸盐以及Fe2O3、SiO2、Nb2O5、WO3等作为掺杂物分别对其进行掺杂改性.研究了掺杂对材料介电性能、极化性能和低温-高温铁电相的相变温度的影响.发现受主掺杂使得材料的介电常数降低,施主掺杂使得材料的介电常数提高;剩余极化随着掺杂离子的化合价增大而增大;制备得到了低温-高温铁电相相变在15℃的铁电材料,在实际应用上有重要意义.

致密PZT95／5铁电陶瓷低温相结构与电性能研究

采用固相法制备了致密PZT95/5铁电陶瓷,研究了低温下致密PZT95/5铁电陶瓷相结构和电性能的变化规律。变温X射线衍射(XRD)研究表明,低温(–60℃)下极化和未极化致密PZT95/5铁电陶瓷相结构保持不变。电性能研究表明随着温度从30℃下降至–60℃,致密PZT95/5铁电陶瓷的相对介电常数从278显著下降至173,而电阻率和剩余极化强度基本保持不变。结合冲击波载荷下动态放电模拟分析,发现相对介电常数的降低将引起动态电场增大至常温下的1.5倍,这可能是导致致密PZT95/5铁电陶瓷低温下击穿概率显著增大的关键因素。

合成和烧结工艺对PZT95/5陶瓷致密化影响的研究

以Pb3O4、ZrO2和TiO2为原料,Nb2O5为掺杂剂,利用固相法制备钙钛矿型PZT95/5陶瓷。采用正交实验优化合成和烧结工艺,综合分析了合成温度、合成时间、烧结温度、烧结保温时间、升温速率和烧结气氛对陶瓷体致密化影响的规律性变化。结果表明:其中合成温度和烧结温度是影响陶瓷致密化的重要因素。

PZT95／5型铁电陶瓷研究取得进展，有望成为新型的热释电材料

锆钛酸铅（PZT）是一种极其重要的功能陶瓷材料，其中，PZT95／5型铁电陶瓷材料具有丰富的相结构和外场诱导相变特性，是研究铁电体的相结构、铁电相变理论以及发展能量转换等多种应用的优选材料之一。

极化状态与方向对单轴压缩下Pb(Zr_(0.95)Ti_(0.05))O_3铁电陶瓷畴变与相变行为的影响

利用数字图像相关性分析方法发展了全场应变光学测量技术,并原位实时测量了准静态单轴压缩下铁电PZT95/5陶瓷试件的轴向应变和横向应变.基于轴向应变、横向应变随着轴向应力的变化关系,讨论了极化状态和极化方向对PZT95/5铁电陶瓷的畴变与相变行为的影响.实验结果显示:单轴压缩下,未极化和Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷都会发生畴变,而Y轴极化PZT95/5铁电陶瓷则不发生畴变;畴变促使Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷的轴向应变和横向应变同时快速地增长,而对未极化PZT95/5铁电陶瓷的应变增长的影响非常微弱,这种差异性归因于电畴极轴不同的取向分布特征;通过应变分解分析,验证了畴变与相变过程是解耦的,并界定了畴变应变和相变应变的影响范围;与Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷相比,未极化PZT95/5铁电陶瓷的相变开始临界应力和相变结束应力减小,而Y轴极化PZT95/5铁电陶瓷则明显增大,由此推论畴变对相变有一定促进作用.基于放电特性的实测结果,还讨论了极化方向对极化PZT95/5铁电陶瓷去极化机理的影响.实验结果显示:Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷去极化机理是畴变和相变的共同作用,其中畴变占主导地位,而Y轴极化PZT95/5铁电陶瓷的去极化机理仅是相变.

镨掺杂PZT95/5陶瓷的微结构转变与性能优化

为探究镨掺杂对PZT95/5陶瓷微结构和性能的影响,以一氧化铅、氧化锆、二氧化钛和硝酸镨为原料,采用固相法制备镨离子掺杂PZT95/5陶瓷,分别利用X线衍射、扫描电子显微镜、精密阻抗分析仪和铁电分析仪对样品的微观结构、表面形貌、介电性能和铁电性能进行表征.结果表明:镨掺杂有利于PZT95/5陶瓷铁电三方相到反铁电四方相的微结构转变;掺杂镨可以使PZT95/5陶瓷样品的晶粒发育保持良好,晶粒分布更均匀,结构致密度也有所提高,但镨掺杂过量会抑制晶粒发育;随着镨掺杂量的增加,样品的相对介电常数呈现先增大后减小的趋势,在掺杂物质的量分数为3%时,相对介电常数最大,达到225.9,此时介电损耗为0.011 36;样品的剩余极化强度和矫顽场与介电常数呈现相同的变化趋势,镨掺杂物质的量分数为3%时,剩余极化强度最大,达到11.078 5μC/cm2,矫顽场最大为27.46 k V/cm.

PZT95／5陶瓷冲击电流输出性能

PZT95／5陶瓷是锆钛比为95：5的锆钛酸铅铁电陶瓷。利用垂直极化的PZT95／5陶瓷，在冲击加载时，陶瓷材料发生铁电／反铁电相变，剩余极化强度消失，释放出被束缚的电荷，电荷流经阻性外电路负载，形成电流输出的性能，可制作恒流型脉冲电源。本文对外电路为短路状态条件下PZT95／5陶瓷冲击放电的电流输出性能进行了研究。

PZT基反铁电材料研究进展

在综述Pb(Zr,Ti)O3(PZT)基反铁电材料的研制与性能研究进展的基础上,重点探讨了PZT95/5反铁电材料和在PZT基础上掺杂改性的Pb(Zr,Sn,Ti)O3(PZST),(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O3(PLZST)反铁电材料。总结了利用La3+、Nb4+、H f4+、Sr2+、Ba2+和Nd3+等离子对富锆PZT以及PZST粉体、陶瓷以及薄膜材料的掺杂取代改性研究。讨论了各类PZT基反铁电材料的铁电(FE)-反铁电(AFE)相变机理以及其场致应变性能。展望了PZT基反铁电材料今后研究与应用的发展方向。

多孔极化PZT95/5铁电陶瓷单轴压缩力学响应与放电特性

采用添加造孔剂的方法制备了四种不同孔隙率PZT95/5铁电陶瓷,对其进行电场极化,随后开展了准静态单轴压缩实验,讨论了畴变、相变以及孔隙率对极化PZT95/5铁电陶瓷的力学响应与放电特性的影响.研究结果表明:(1)多孔极化PZT95/5铁电陶瓷非线性力学响应行为主要归因于畴变和相变的共同作用,与内部孔洞变形和坍塌基本无关;(2)在准静态单轴压缩下极化PZT95/5铁电陶瓷的去极化机制是畴变和相变的共同作用;(3)孔隙率对极化PZT95/5铁电陶瓷的弹性模量、压缩强度有明显的影响,而对断裂应变的影响较小;(4)极化PZT95/5铁电陶瓷畴变和相变开始的临界应力都随着孔隙率的增大而线性衰减,但相变开始的临界体积应变却不依赖孔隙率;(5)极化PZT95/5铁电陶瓷电荷饱和释放量随着孔隙率呈线性减小,但孔隙率对电荷释放速率基本没有影响.