电场、残余应力和介质对PZT-5H铁电陶瓷压痕裂纹扩展的耦合作用

通过在硅油中加恒电场实验,研究了PZT-5H铁电陶瓷Vickers压痕裂纹的扩展行为,探讨了电场、残余应力以及介质间的耦合作用.结果表明,残余应力不足以使压痕裂纹在硅油中发生滞后扩展,只有外加恒电场E>0.2 kV/cm,电场、残余应力和介质的耦合才能使压痕裂纹在经过一个孕育期tp后发生滞后扩展.由于有效应力强度因子随裂纹扩展而下降,故压痕裂纹扩展10-30 μm后就将止裂.压痕裂纹在硅油中滞后扩展的门槛电场强度EDp=0.2 kV/cm.如外加电场大于临界电场Ep=5.25 kV/cm,电场和残余应力的耦合可使压痕裂纹瞬时扩展;保持恒电场,裂纹能继续扩展,然后止裂.如外加电场大于12.6 kV/cm,不需要残余应力协助,电致裂纹也能在光滑试样上形核、长大、连接,导致试样断裂.试样发生电致滞后断裂的门槛电场EDF=12.6 kV/cm,发生瞬时断裂的临界电场EF=19.1 kV/cm.

退火处理对PZT-5H铁电陶瓷性能的影响

研究了退火处理对PZT-5H陶瓷铁电、压电性能以及抗老化和抗电疲劳性能的影响。结果表明，250℃退火处理可以有效地提高PZT-5H铁电陶瓷的饱和和剩余极化强度、压电常数和抗老化性、抗电疲劳性性能。分析表明，PZT-5铁电陶瓷性能的改善可能与热处理改变晶粒微区状态和消除内应力等因素有关。

强冲击下PZT-5H压电陶瓷的动力响应及电输出特性研究

为了揭示冲击压力对PZT-5H压电陶瓷电输出特性的影响,利用自行建立的聚偏氟乙烯冲击压力测试系统和压电陶瓷电输出性能测试系统,以一级轻气炮作为加载手段,开展了柱状铝合金弹丸分别以195 m/s、487 m/s、532 m/s和613 m/s的速度垂直撞击复合靶板(钢片-压电陶瓷-有机玻璃)的实验。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进行弹靶碰撞的有限元分析,分析了不同速度下PZT-5H的冲击压力时程。根据实验系统建立了弹靶接触时应力波传播的简化模型,并通过模型计算出复合结构中PZT-5H压电陶瓷承受的冲击压力峰值。运用实验得到的冲击压力时程、压电陶瓷输出电压时程和储能电容充电电压时程,分析了不同峰值压力脉冲作用下PZT-5H压电陶瓷电输出特性的变化规律。研究结果表明:冲击压力峰值的计算结果与仿真结果、实验测量结果趋势吻合;冲击压力峰值在200~700 MPa范围内时,PZT-5H压电陶瓷输出电压峰值随着冲击应力峰值的增加而增大,且近似呈线性关系;在高速撞击PZT-5H压电陶瓷过程中动能与电能的能量转化效率较低,当储能电容量与PZT-5H压电陶瓷电容量比值为5.9∶1时,压电陶瓷的能量转化率为1.1%.

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。

压缩载荷下PZT铁电陶瓷的非线性变形

随现代压电器件发展,铁电陶瓷在较大外力场作用下的非线性电/位移响应受到人们广泛的关注.本文对软性PZT5和硬性PZT4铁电陶瓷材料在压缩载荷下的非线性特性开展了实验研究和分析,测试了PZT5和PZT4铁电陶瓷材料在一维压缩载荷作用下的应力-应变曲线和电位移曲线,讨论了压缩载荷作用下的90o电畴偏转特性及畴变应变对非线性变形部分的贡献.

PZT铁电陶瓷的氢致半导体化

研究了锆钛酸铅铁电陶瓷(PZT-5H)的氢致半导体化现象.结果表明,随试样中氢浓度的升高,漏电电流和载流子浓度升高,电阻率下降,颜色由黄变黑.即氢能使PZT-5H铁电陶瓷从绝缘体变成n型半导体.高于Curie点充氢时,能抑制PZT-5H从立方的顺电相向四方的铁电相的转变,室温下铁电性消失.但室温电解充氢并不抑制相变.高温除氢后试样的性能及颜色均恢复.

应力和电场单独或耦合作用下PZT-5H卸载压痕裂纹的扩展

研究了不同极化状态下PZT-5H铁电陶瓷压痕裂纹在应力和电场单独作用以及耦合作用下的扩展行为结果表明, 压痕裂纹残余应力引起的应力场强度因子近似等于断裂韧性.对沿长度方向极化的试样,正、负电场均能引起压痕裂纹的扩展,但正电场的作用更大.电场和应力的耦合作用表现为对应力的线性叠加.电场引起的内应力σin=(?)YE/[1.16(1-v2)Ec],式中(?)=(2.75=5.71)×10-4,与PZT的极化状态有关.

应力促进PZT铁电陶瓷的电致滞后断裂

用单边缺口拉伸试样研究了外加应力强度因子对PZT-5铁电陶瓷电致瞬时断裂以及在硅油中电致滞后断裂的影响结果表明,在硅油中发生瞬时断裂的临界电场强度E_F随外加应力强度因子K_I的升高而线性下降.外加正、负恒电场在硅油中能发生滞后断裂,外加K_I则促进电致滞后断裂.电致滞后断裂的门槛电场E_(DF)随K_I升高而线性下降,且和电场符号无关外加应力促进恒电场下的滞后断裂表明,应力、电场和环境对铁电陶瓷的断裂存在耦合作用.

A_2Bi_4Ti_5O_(18)(A=Ca,Sr,Ba)陶瓷铁电介电性能的研究

用传统的固相烧结工艺制备了Sr2-xCaxBi4Ti5O18(x=0～2.0),Sr2Bi4Ti5O18和Sr2-xBaxBi4Ti5O18(x=0～2.0)陶瓷样品.掺杂Ca使晶格常数变小,而Ba占据A位使晶格常数变大.Sr2Bi4Ti5O18具有良好的铁电性能,其剩余极化值(2Pr)约为20.3μC/cm2,小量掺杂Ca可小幅度地提高样品的铁电性能,但Ca完全取代Sr后使样品的铁电性能消失.Sr2-xBaxBi4Ti5O18样品的2Pr随着x的增大而减小,BaBi4Ti5O18样品2Pr在常温下仅为0.3μC/cm2.Sr2-xCaxBi4Ti5O18的相变温度(Tc)随着x的增大而升高,Sr2-xBaxBi4Ti5O18的Tc随着x的增大,先出现了下降后上升的变化过程,Sr1.25Ba0.75Bi4Ti5O18样品的介电结果表现出典型弛豫特征.

衬底对PZT铁电薄膜显微结构的影响

利用ＸＲＤ和ＳＥＭ观察了在不同衬底材料上用Ｓｏ１－Ｇｅｌ法制备的ＰＺＴ铁电陶瓷薄膜的显微结构。发现ＰＺＴ薄膜的结晶性能受衬底材料的影响极大。ＰＺＴ薄膜在金属铂片上能够很好地结晶，而在单晶硅片上则很难结晶，其在镀铂硅片上的结晶难易程度介于金属铂片与单晶硅片之间。在衬底上制备ＰＴ过渡层可以促进ＰＺＴ薄膜的结晶。

极化方法对PZT-4压电陶瓷性能的影响

Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3)(PZT)由于具有优异的综合性能而成为应用最广泛的压电陶瓷。之前研究工作证明了与直流极化(DCP)和交流极化(ACP)相比,采用交流极化和直流极化相结合的方法能进一步提高弛豫铁电单晶材料的压电性能。本工作报道了直流极化、交流极化和交流极化+直流极化后PZT-4压电陶瓷的介电性能和压电性能,探究了直流极化、交流极化和交流极化+直流极化的最佳极化条件。在最佳交流极化+直流极化条件下,PZT-4压电陶瓷的压电常数(d_(33))为350 pC/N,相比直流极化(305 pC/N)、交流极化(320 pC/N)分别提高了15%和9%。交流极化后的PZT-4陶瓷样品的应变值(0.08%)高于进行直流极化样品的(应变值0.05%),表明交流极化可以有效提高PZT-4陶瓷的应变值,但是交流极化后应变曲线的滞后增大不利于器件应用,交流极化对硬性压电陶瓷的影响还需要进一步探讨。

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.

非均相沉淀法制备PLZT富锆陶瓷及其电击穿性能研究

PZT95/5型铁电陶瓷的抗电击穿强度对材料的实际应用至关重要,实际应用中PZT95/5型铁电陶瓷较低的抗电击穿强度限制了它的应用;选择了PZT95/5型铁电陶瓷材料为研究对象,以提高材料的抗电击穿强度为目的,从材料的制备工艺、材料的微观结构的优化以及电击穿性能等方面,探索提高PZT95/5型铁电陶瓷抗电击穿强度的途径;采用了传统固相法、非均相沉淀法制备出了不同微观结构和性能的PZT95/5型铁电陶瓷;研究表明,采用非均相沉淀法制备了PZT95/5型铁电陶瓷,其介电、压电、铁电性能和抗电击穿性能都优于传统固相法所制备陶瓷的性能;根据弱点导致电击穿的理论,采用韦布尔分布表征和研究了所制备的PZT95/5型铁电陶瓷的电击穿性能。

陶瓷粉末靶与陶瓷块状靶溅射制备PZT薄膜的性能比较

介绍了RF溅射冷压法制备的PZT陶瓷粉末靶和块状靶制取PZT薄膜的过程。二种方法避开了热压法制作PZT陶瓷块状靶的复杂工艺及昂贵设备 ,均能获得化学成分稳定的钙钛矿结构PZT铁电薄膜 ;用粉末靶制取的薄膜的热处理温度比块状靶低 2 0 0℃ ;用块状靶制取的薄膜具有清晰的晶粒 ,较好的化学配比、电性能及高的密度 ;用粉末靶未见有明显的晶粒 ,存在玻璃质 ,其化学配比与源材料相比有较大差异 ,电性能也略为逊色。

高速撞击压电陶瓷过程中储能电容对电输出特性的影响研究

为了揭示PZT-5H压电陶瓷电源复合结构在高速撞击载荷下电源外部电路中储能电容对输入电压、输入能量的影响规律,利用自行构建的一级轻气炮加载系统、电源外部电路及电输出测试系统,分别开展了长径比为1∶1的柱状弹丸在相近碰撞速度、不同储能电容容量条件下高速撞击单片和多片压电陶瓷复合结构实验。实验结果表明:储能电容越大,压电陶瓷输出电压峰值越小、储能电容充电电压越小,存储能量值越小;随着储能电容量与压电电容量比率的增大,压电陶瓷的能量转换率减小;此外,储能电容的存储能量随压电陶瓷层数的增加而增大;压电陶瓷的电容与储能电容的匹配对储能电容的输入电压和储能电容的输入能量有较大影响。

宽温区热释电陶瓷的复合烧结法与性能研究

富锆型PZT陶瓷在室温附近发生低温铁电三方相到高温铁电三方相的相变(FRL-FRH)相变并产生很大的热释电系数,相变过程中介电常数和损耗变化很小,相变温区很窄,相变温度随锆钛比的不同而不同。该文选取锆钛比为95/5和93.5/6.5的Mn掺杂PZT材料进行复合烧结,以期展宽相变温区。实验结果表明,两种初始原料1 100℃预处理后按照质量比1∶1进行复合烧结,相变温区得到了有效的展宽,在19～43℃内热释电系数p大于6.3×10-8 C/(cm2.℃),探测率优值FD大于7.7×10-5 Pa-1/2。通过对热释电、介电和铁电性能的综合研究,发现复合烧结在优化PZT陶瓷热释电性能的同时优化了其介电和铁电性能。

冲击加载下PZT95/5铁电陶瓷的脉冲大电流输出特性

极化了的PZT95/5铁电陶瓷在冲击波作用下发生铁电相到反铁电相的结构相变,释放出被束缚的电荷,流经外电路,形成脉冲电流.基于这一原理,针对低感、低阻负载的要求,对PZT95/5铁电陶瓷LRC电路响应进行了理论分析,并开展了实验研究.实验采用多组PZT95/5铁电陶瓷并联,获得了前沿小于500ns,峰值大于5kA的大电流.

爆电换能脉冲大电流输出研究

基于爆电换能原理，使用掺铌的PZT95／5陶瓷组装换能器件，在垂直工作模式下，对爆电电源LRC电路响应进行了理论分析，并开展了脉冲大电流输出实验研究。实验采用多组PZT95／5铁电陶瓷并联，利用平面波发生器作为冲击加载手段，获得了峰值5kA以上的脉冲大电流，初始电流上升速率可达10-20GA／s。实验结果与理论设计符合较好。

基于ANSYS的1-3型水泥基压电复合材料力电响应分析

运用ANSYS有限元方法,分别对PZT5H压电陶瓷和1-3型水泥基压电复合材料的力电响应进行了模拟分析。分析结果表明:在位移约束和面载荷下,PZT5H压电陶瓷和1-3型水泥基压电复合材料上的最大位移和最大电势均发生在压电陶瓷(柱)上表面,且产生的最大电压均发生在最大位移处,陶瓷在垂直方向上的电势与位移分层明显且一致。

纳米Sb_(2)Se_(3)掺杂PZT铁电陶瓷材料的热电性能

采用固相烧结法将Sb2Se3掺杂入PZT铁电陶瓷,以期提升PZT铁电陶瓷的热电性能。对掺杂后的样品材料进行了XRD分析,发现Sb2Se3掺杂融入PZT的效果良好,之后对样品材料的热电性能进行了重点分析。结果表明:随着温度的升高,样品材料的赛贝克系数的绝对值均逐渐增大,且均为负值,掺杂样品的赛贝克系数的绝对值较未掺杂样品降低;体积较小的掺杂样品材料的热导率明显低于体积较大的样品热导率;在添加不同量Sb2Se3的PZT铁电陶瓷电导率与温度的阿伦尼乌斯图中可以观察到,随着掺杂量的增大,电导率出现先增大后减小的趋势;掺杂量为0.3的PZT材料在温度为615 K(342℃)时的ZT值最大为0.28。