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.     

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     

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-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。     

爆炸驱动铁电体电源快脉冲产生技术

以发展轻小型高电压脉冲驱动源为出发点,提出采用爆炸驱动铁电体作为初级电源,通过电感储能与电爆炸丝断路开关进行脉冲压缩和功率放大,探索基于爆炸驱动铁电体电源的小型化高电压快脉冲产生技术。从爆炸驱动铁电体电源的全电路模型和铁电陶瓷材料特性出发,通过理论分析和仿真研究,分别对大电流模式和高电压模式的爆炸驱动铁电体电源的物理参数进行了设计,获得了铁电体电源工作模式和电路参数对产生高电压脉冲的影响规律,认为铁电体电源高电压模式更适合于与断路开关技术结合产生高电压快脉冲,并通过实验对该技术原理进行了验证。实验中铁电体电源输出电流约360 A、脉宽约3.8 μs,对17.5 nF电容器充电至75 kV,电容器放电后在电爆炸断路开关中产生峰值大于12 kA的脉冲电流,最终在X射线二极管负载上获得了电压峰值大于180 kV、前沿3 ns、脉宽30 ns、电流峰值3.4 kA的高电压快脉冲。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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：     

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。