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.     

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。     

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。     

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     

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.     

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。     

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。     

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PZT 95/5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PZT 95/5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5 kA以上的脉冲大电流，初始电流上升速率可达10~20 GA/s。实验结果与理论设计符合较好。     

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.     

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。     

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。     

PZT-95／5陶瓷晶粒度对冲击波作用下击穿电压的影响

Zr：Ti比为95：5的PZT陶瓷(简称PZT-95／5陶瓷)在冲击波作用下由铁电相转变成反铁电相去极化产生脉冲电流，可以作为脉冲电源发生器。这种电源基于PZT陶瓷在冲击波作用下去极化释放出束缚电荷而工作的，只有在冲击波作用下其内部不发生电击穿的条件下，才能在外电路形成电能输出，因此，PZT-95／5陶瓷在冲击波作用下的电击穿问题在其中起着非常关键的作用。     

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。     

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。     

多孔未极化Pb(Zr0.95Ti0.05)O3铁电陶瓷单轴压缩力学响应与相变

通过添加造孔剂的方法制备了四种不同孔隙率未极化PZT95/5铁电陶瓷. 采用非接触式的数字散斑相关性分析(digital image correltation, DIC)全场应变光学测量技术, 对多孔未极化PZT95/5 铁电陶瓷开展了单轴压缩实验研究, 讨论了孔隙率对未极化PZT95/5铁电陶瓷的力学响应与畴变、相变行为的影响. 多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的单轴压缩应力-应变关系呈现出类似于泡沫或蜂窝材料的三阶段变形特征, 其变形机理主要归因于畴变和相变的共同作用, 与微孔洞塌缩过程无关. 多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的弹性模量、压缩强度都随着孔隙率的增加而明显降低, 而孔隙率对断裂应变的影响较小. 预制的微孔洞没有改善未极化PZT95/5铁电陶瓷材料的韧性, 这是因为单轴压缩下未极化PZT95/5铁电陶瓷的断裂机理是轴向劈裂破坏, 微孔洞对劈裂裂纹传播没有起到阻碍和分叉作用. 准静态单轴压缩下多孔未极化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呈线性衰减, 但相变开始的临界体积应变却不依赖孔隙率.     

冲击波加载下孔隙率对Pb_(0.99)(Zr_(0.95)Ti_(0.05))_(0.98)Nb_(0.02)O_3铁电陶瓷去极化性能的影响

制备了四种不同孔隙率的Pb0.99(Zr0.95Ti0.05)0.98Nb0.02O3铁电陶瓷,并研究了冲击波作用下孔隙率对陶瓷去极化性能的影响.研究表明:短路负载条件下陶瓷的放电波形不随孔隙的加入而改变,均为方波.多孔陶瓷的放电脉冲幅度较低,脉冲宽度较长.释放的电荷量随着孔隙率的增加而减小,与静态电滞回线测试结果一致.多孔陶瓷具有较低的冲击阻抗,改善了与封装介质的阻抗匹配.用Lysne模型拟合了材料在高电阻负载条件下的放电行为,并指出高电阻负载条件下材料的介电常数是静态介电常数的4—5倍,而且材料的介电常数随孔隙率的增加而减小.冲击波通过样品以后,电路的放电时间常数随着孔隙率的增大而增大.随着电阻的增大,样品负载电压增高,材料铁电-反铁电相变受到抑制,电流上升沿变缓,致密陶瓷出现了击穿现象.     

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。     

冲击波压缩PZT-95/5铁电陶瓷的电介质击穿

 应用冲击波加载技术，在垂直加载的条件下，研究了PZT-95/5铁电功能陶瓷的电击穿。通过实验和数值模拟，得到了冲击波加载下的动态击穿特征参数，讨论了其击穿机理。     

直流偏压对压力诱导反铁电陶瓷去极化性能的影响

采用掺铌的锆钛锡酸铅（PNZST）反铁电陶瓷作为研究对象,研究了不同的直流电场作用下,等静压力诱导极化态反铁电陶瓷发生去极化过程（同时发生铁电/反铁电相变）的规律.当极化态样品两端电场强度为6 kV/cm时,去极化压力为128.8 MPa;当极化态样品两端电场强度为-6 kV/cm时,去极化压力为74.2 MPa.在与极化电场方向相反的外加电场作用下极化态样品具有较小的去极化压力.讨论了外加直流电场影响极化态反铁电陶瓷去极化压力的内在机理.得到了不同外置电场下的去极化压力,并绘制了该材料的外加直流电场（< 关键词： 去极化 反铁电体 相变