BaTiO_3单晶的正方形电畴翻转模型

大量实验已经证实电畴翻转是铁电材料非线性和迟滞性本构行为的根本原因。研究者已经对BaTiO3单晶的微观电畴翻转行为进行了详细的研究,给出了电畴纵向长大和横向扩张的速度公式。依据这些关系,结合电畴翻转是一渐变过程提出了正方形电畴翻转模型,目的是为了从微观上建立电畴翻转体积分数的演化方程。进一步,应用模型对轴向应力和轴向电场作用下铁电陶瓷的本构行为进行了研究。理论结果与实验数据的比较表明,模型能较好地描述铁电材料的非线性本构行为。

外场下NBT-KBT100x压电薄膜畴变演化、保持特性及印记的研究

采用金属有机物分解法制备了不同K含量的弛豫型压电薄膜(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xK0.5Bi0.5TiO3(NBT-KBT100x)。利用压电力显微镜研究了外场条件下纳米级铁电畴翻转,以及保持性能和印记失效。结果表明:(1)不同组分中,NBT-KBT17薄膜单畴态的晶粒个数最多。选取NBT-KBT17薄膜分别测试了其面内极化分量和面外极化分量,该薄膜的面内压电信号较强,这说明薄膜在d31模式下的压电响应明显。(2)选择NBT-KBT17薄膜中较大尺寸的单晶,实现了对弛豫性铁电体的电畴写入。将其在大气环境下放置不同时间,出现了退极化现象,但总的畴态稳定,表明其保持性能较好。(3)制备了NBT-KBT17原理型薄膜电容器,分别测试了加载作用前后NBT-KBT17薄膜电容器的相位和振幅滞后回线图。结果表明外加作用力使相位回线向右发生了一定的移动,且振幅的蝶形曲线均在不同方向上发生了偏移,同时形状也发生了改变。最后,利用空间电荷原理分析了外加力导致薄膜印记产生的机理。

PZT陶瓷本构行为与断裂性能的相关性研究

铁电陶瓷的力学性能直接决定了其加工性能和铁电器件的可靠性。目前,无论是实验还是理论报道的压电陶瓷材料的断裂韧性都与30年前的报道接近,限制了压电器件在高可靠性要求的情况下的应用。本研究试图揭示可用于优化铁电陶瓷断裂性能的参数。利用单轴压缩方法、裂纹尖端张开位移(Crack-tip opening displacement,COD)技术和单边V型缺口梁(Single-side V-notch beam,SEVNB)技术分别测定三种典型PZT陶瓷的应力-应变曲线、本征断裂韧性和长裂纹断裂韧性。结果表明,本征断裂韧性与材料的杨氏模量正相关,说明提高铁电体的杨氏模量是提高其本征韧性的有效途径。长裂纹断裂韧性与本征韧性和非本征铁弹性畴变/相变增韧有关,说明优化铁电陶瓷的铁弹翻转行为可以改善其非本征效应。软掺杂PZT相较于硬掺杂PZT具有较低的矫顽应力和较高的残余应变,呈现较强的铁弹性翻转和较高的屏蔽韧性;在不同PZT材料中观察到的断裂模式也被认为与材料不同的铁弹性翻转行为有关,软PZT陶瓷呈现沿晶断裂,铁弹性翻转较弱的硬PZT呈现穿晶断裂。综上所述,优化铁电材料的杨氏模量和铁弹翻转行为有望提升其断裂韧性。

铁电陶瓷PZT53复杂力电耦合行为的实验研究

通过实验研究了平行和垂直于极化方向的正应力对铁电陶瓷锆钛酸铅(PZT53)的电滞回线(E3-P3)和电致应变曲线(E-ε)的影响.实验发现平行于极化方向的压应力对PZT53陶瓷的电滞回线、电致应变曲线形状以及矫顽场大小都有明显的影响,但是垂直于极化方向的拉、压应力只对PZT53陶瓷的电致应变曲线形状有明显的影响,但对电滞回线形状和矫顽场大小都没有显著影响.采用畴翻转的模型详细解释了观察到的实验现象,所得结果为建立铁电陶瓷的多轴力、电耦合本构模型,提供了物理基础.

铁电马氏体中的电致形状记忆效应

与温度驱动形状记忆的缓慢响应及磁场驱动形状记忆的巨大体积相比较,电场驱动形状记忆具有响应快和体积小的优点。但是,基于传统反压电效应的电场驱动形状记忆由于变形量较小而收到限制。本研究表明,通过运用基于点缺陷短程序对称性遵循的普适性原理的可逆畴翻转机制,可以在铁电马氏体中获得巨大的电致形状记忆效应;其产生的变形量理论上是反压电效应所产生变形量的几十倍。采用原位畴观察实验给出了可逆畴翻转的直接证据。并且,在铁电多晶陶瓷中也获得了这种大的电致形状记忆效应。这种效应在很宽的频率范围内都很稳定,在疲劳测试中也显示了很好的可靠性。运用这一新的电致形状效应有望制备出新一代非线性驱动器材料。

喷油器中压电执行器机电耦合特性研究

压电堆执行器由于响应性快、输出力大和耗能低等优点被应用到喷油器中。这些特性能够改善柴油机的性能,并降低排放。为进一步开发这种执行器的潜力,本研究通过试验对压电执行器的机电耦合特性进行研究。研究结果表明:在载荷为200~1 200N范围内,执行器位移和应变随载荷的增加呈现先增大后减小的趋势,且在机械载荷为800N时达到最大值。在电压为150V时,机械载荷为800N的输出位移比200N时的输出位移增加约为16%。建立基于线性压电效应和90°磁畴翻转效应的简化数学模型来对试验结果进行模拟,得出在不同的负载条件下,仿真与试验结果在较高机械载荷下显示了良好的一致性。

Bi_4Ti_3O_(12)/BaTiO_3铁电复合薄膜的制备

利用脉冲激光分子束外延技术(MBE)在LaAlO3(100)基片上依次沉积了La2/3Sr1/3MnO3(LSMO)、BaTiO3(BTO)和Bi4Ti3O12(BIT)薄膜。采用X射线衍射仪(XRD)、压电力显微镜(PFM)和铁电仪研究了复合薄膜的晶体结构、表面形貌、畴结构、单点压电响应信号以及电滞回线。结果表明所制BIT/BTO铁电复合薄膜沿c轴择优取向生长,其PFM相位曲线的畴翻转特征加之明显的振幅-电压蝴蝶曲线证实了该复合薄膜具有良好的铁电性;在外加8 V电压下BIT/BTO复合薄膜的剩余极化强度(2Pr)为(2.6±0.1)×10–6 C/cm2,而单层BIT和BTO铁电薄膜的2Pr仅为(1.1±0.1)×10–6 C/cm2和(0.3±0.1)×10–6 C/cm2,该现象与复合薄膜的界面效应以及晶体结构畸变有关。