多层铁电陶瓷击穿分析及优化

建立了多层串联PZT95/5爆电换能组件3维数值模型,对固化封装条件下陶瓷介质击穿问题进行了计算分析,计算结果表明:在不改动器件外部结构尺寸条件下,采用等厚度PZT95/5叠片结构布局对进一步提高输出电压方面存在瓶颈。为克服上述影响以及降低爆电换能组件击穿概率,提出了PZT95/5铁电陶瓷非等厚度布局解决方案。为实现上述设想,通过引入不等式约束条件计算得到一组非等厚度优化布局,将爆电换能组件所用PZT95/5铁电陶瓷数量减至19片,同时有效实现该布局下,各片PZT95/5陶瓷电压均低于对应厚度击穿电压的优化目标。     

冲击加载下PZT 95/5铁电陶瓷的脉冲大电流输出特性

极化了的PZT 95/5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PZT 95/5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PZT 95/5铁电陶瓷并联，获得了前沿小于500ns，峰值大于5kA的大电流. 关键词： PZT 95/5铁电陶瓷 冲击波 爆电电源     

冲击波垂向加载下PZT 95/5铁电陶瓷的去极化和放电过程分析

电极化后的PZT 95/5铁电陶瓷能够在冲击波作用下快速去极化并释放束缚电荷,形成高功率的瞬态输出电能。对于垂直于极化方向的冲击波加载情况,通过将去极化过程中的铁电陶瓷等效为电流源、电容和电导的并联电路,综合考虑冲击波压力对波速和去极化相变过程的影响,以及冲击波前、后铁电陶瓷的介电常数和电导率变化,建立了描述冲击波垂向加载下PZT 95/5铁电陶瓷去极化和放电过程的模型,解析获得了铁电陶瓷的放电电流表述。在此模型基础上,开展了短路和电阻负载条件下PZT 95/5铁电陶瓷在冲击放电过程中的输出电流特征分析,并与相关实验结果进行了对比。结果表明:模型能较好地模拟实验观测的铁电陶瓷PZT 95/5的冲击放电过程,以及冲击波压力、负载电阻等对冲击放电输出电流的影响规律。     

冲击波作用下Pb(Zr_(0.95)Ti_(0.05))O_3铁电陶瓷去极化后电阻率动态特性

在冲击波压力作用下,极化Pb(Zr_(0.95)Ti_(0.05))O_3(PZT95/5)铁电陶瓷会发生铁电-反铁电相变失去极化,由于冲击波压力高、作用时间短,伴随材料去极化相变出现的瞬态电导特性难以准确测试.本文建立了新的实验方法,采用脉冲电容器作为冲击波加载铁电陶瓷脉冲电源的输出负载,在冲击波压力约3.5 GPa的实验中直接测得铁电陶瓷的漏电流,计算得到PZT95/5铁电陶瓷去极化后的电阻率,变化范围为2.2×10~4—3.5×10~4?·cm;在实验数据的基础上,建立了动态电阻模型,对冲击波传播过程中PZT95/5铁电陶瓷去极化后的电阻率进行了分析,初步揭示了冲击波作用下PZT95/5铁电陶瓷去极化后电阻率的动态特性.     

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。     

铁电体爆-电换能的实验研究

使用掺铌PZT97.5/2.5铁电陶瓷样品在垂直工作模式下,进行了爆-电换能的实验研究。在电感-电容并联负载上获得了1360安的峰值电流;在电阻负载上获得了145×10³伏的峰值电压。实验结果与理论预计符合得比较好。 关键词：     

PZT 95/5陶瓷电致失效机理研究

对PZT 95/5陶瓷在直流电场、脉冲方波电场以及半正弦波电场作用下的失效机理进行了理论和实验分析.结果表明:在直流作用下,其失效机理以热-电耦合失效为主;而在脉冲电场作用下,考虑振动冲击效应以及相关的力谱分布,脉宽越短,能量向高频偏移,越可能发生力-电耦合失效;当脉宽增加,PZT 95/5陶瓷失效机理将从力-电耦合失效逐步转变成直流失效模式. 关键词： PZT 95/5 失效机理 直流电场 脉冲电场     

铁电体爆电换能器的匹配研究

 本文根据冲击加载PZT铁电陶瓷材料的电响应理论，讨论了垂直模式的矩形和柱形铁电陶瓷样品含电感负载时的最佳匹配关系、最佳状态的某些特性及最佳装置的设计方法。计算举例表明，理论同已做过的矩形爆电换能实验符合很好。     

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。     

PZT 95/5铁电陶瓷的冲击压缩Hugoniot特性研究

 采用一级气体炮加载装置,利用加窗VISAR技术,对极化和未极化两种状态的PZT 95/5铁电陶瓷进行了逆向冲击实验,在0.52~3.8 GPa冲击压力范围内,得到了PZT 95/5铁电陶瓷两种状态的σ-u关系。对比文献已有实验数据显示,PZT 95/5铁电陶瓷的Hugoniot曲线与初始密度值密切相关,高密度的PZT 95/5铁电陶瓷在0~3.0 GPa压力范围内的σ-u关系接近线弹性,较低压力下不同极化状态的Hugoniot数据表明,PZT 95/5铁电陶瓷发生了冲击相变。     

铁电体电源中介质电阻特性及对输出电荷的影响

爆炸驱动铁电体脉冲电源利用铁电陶瓷在冲击压力作用下去极化释放电荷而产生电流,可以作为脉冲功率源的初始电源,也可直接驱动高阻抗负载产生脉冲高电压。通常情况下,铁电陶瓷可以看作理想的绝缘体,但在数GPa冲击波压力作用下,铁电陶瓷电阻率可能会明显下降并形成漏电导,使部分去极化释放电荷在铁电陶瓷内部流失,导致铁电陶瓷剩余极化电荷输出效率下降。以PZT95/5铁电陶瓷作为初始储能介质,以爆炸冲击波加载PZT95/5铁电陶瓷释放电荷对脉冲电容器充电,充电结束后电容器电压维持期间检测到明显的反向电流,根据铁电陶瓷输出电流和工作电压,得到冲击波作用过程中铁电陶瓷的瞬态电阻率曲线,并分析了电阻率下降对输出电荷的影响。进一步研究表明,冲击压力在铁电陶瓷边侧产生的稀疏波是引起电荷输出效率降低的主要因素,而铁电陶瓷电阻率下降对电荷输出效率的影响很小。     

并联铁电体冲击去极化输出电流实验和计算

 为分析不同数量铁电体的输出电流特征，进行了多片并联PZT95/5铁电体冲击去极化实验，测量了电阻负载下铁电体的输出电流；建立了并联铁电体输出电流的计算模型，计算了并联铁电体的输出电流。通过比较计算和实验结果，分析了铁电体数量和冲击波状态对铁电体输出电流的影响。结果表明：若进入铁电体的冲击波为平面波，铁电体输出电流的波形接近方波，电流峰值随铁电体并联数量的增加成比例增加，冲击波波形和侧向稀疏波对铁电体输出电流波形和去极化率有很大的影响。     

冲击波加载下PZT 95/5铁电陶瓷的电阻率研究

利用炸药爆炸产生的平面冲击波,研究了垂直模式冲击波加载下PbZr_0.95Ti_0.05O₃ (PZT 95/5)铁电陶瓷冲击波压缩区域的电阻率变化.在建立的模型中考虑了冲击波压缩区域的有限电阻率,计算结果表明：在压力约2.0GPa,负载短路的条件下,PZT 95/5铁电陶瓷冲击波压缩区域的电阻率从初始10⁷—10¹¹Ωcm迅速降到最小值约40Ωcm,然后基本保持在120—140Ωcm之间. 关键词： PZT 95/5铁电陶瓷 冲击波 电阻率     

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0.5 GPa。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。     

冲击波加载下PZT95/5铁电陶瓷电响应的数值模拟

 在爆炸冲击波垂直加载下,考虑了介质的松弛现象及其有限电导率,建立了PZT95/5铁电陶瓷电响应的数学模型。利用这一模型,分析了PZT95/5在短路、电阻、电容和电感等各种负载下的电响应。理论模型与实验结果较好地符合。     

Evolution of electric response of Pb0.99(Zr0.95Ti0.05)0.98Nb0.02O3 and Pb0.99[(Zr0.90Sn0.10)0.96Ti0.04]0.98Nb0.02O3 ferroelectric ceramics under shock wave compression

The objective of this work is to investigate the dependence of the electric behavior on shock pressure in Pb_0.99(Zr_0.95Ti_0.05)_0.98Nb_0.02O₃ (PZT 95/5-2Nb) and Pb_0.99[(Zr_0.90Sn_0.10)_0.96Ti_0.04]_0.98Nb_0.02O₃ (PZST) ferroelectric ceramics under shock wave compression. PZT 95/5-2Nb and PZST ceramics were subjected to high dynamic pressure generated by plate impacts. The output currents were measured under the short-circuit condition in the pressure range from 0.23 to 4.50 GPa. The evolution of the electric response exhibits three distinct regions: (1) Below the critical phase transition pressure (σ_C), alternate negative and positive piezoelectric currents are observed and the corresponding piezoelectric constant is e ₃₁. (2) Above σ_C and below the complete phase transition pressure (σ_H), released charge increases with increasing shock pressure, illustrating the transition of ferroelectric to antiferroelectric phase. (3) Above σ_H, the output current is insensitive to the shock pressure. A similar evolutionary process is also observed in hydrostatic and uniaxial stress experiments.     

铁电体电源起爆金属桥箔的数值计算分析

 为探讨铁电体电源对金属桥箔的起爆作用,对冲击波作用下PZT95/5铁电体对铜桥箔的放电过程进行了数值计算。通过引入金属桥箔电阻非线性变化的FIRESET模型,考虑回路电感及回路电阻,计算了负载为铜桥箔时的铁电体的电响应。讨论了铁电体并联数量、回路电感对桥箔爆炸特性的影响。计算结果表明：当并联排列的铁电体电极面积达到0.006 m²以上时,在桥箔上可产生高于100 GA/m²的电流密度,能够有效起爆桥箔。而回路中存在适当的电感将有利于铁电体电源起爆桥箔。计算方法和结果能够为起爆金属桥箔的铁电体电源设计提供理论根据。