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     

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。     

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。     

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。     

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.     

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     

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。     

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。     

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     

(111)取向生长Pb(Zr0:95Ti0:05)O3纳米晶薄膜的铁电与热释电特性

" 在Pt/Ti/SiO2/Si基片上用溶胶-凝胶法与快速退火工艺制备了300 nm厚的锆钛酸铅Pb(Zr0:95Ti0:05)O3 (PZT95/5)反铁电薄膜．结果显示600~700 ℃晶化处理的钙钛矿PZT95/5薄膜具有高度(111)取向生长特性．薄膜的电性能测量采用金属-铁电-金属电容器结构．在20 V电压作用下,600~700 ℃晶化处理的PZT95/5薄膜显示出饱和电滞回线．在1 kHz下,600、650和700 ℃晶化的薄膜介电常数与损耗分别为519与0.028、677与0.029、987     

Enhanced energy storage behaviors in free-standing antiferroelectric Pb(Zr_(0.95)Ti_(0.05))O_3 thin membranes

Free-standing antiferroelectric Pb(Zr_(0.95)Ti_(0.05)O_3(PZT(95/5)) thin film is fabricated on 200-nm-thick Pt foil by using pulsed laser deposition.X-ray diffraction patterns indicate that free-standing PZT(95/5) film possesses an α-axis preferred orientation.The critical electric field for the 300-nm-thick free-standing PZT(95/5) film transiting from antiferroelectric to ferroelectric phases is increased to 770 kV/cm,but its saturation polarization remains almost unchanged as compared with that of the substrate-clamped PZT(95/5) film.The energy storage density and energy efficiency of the substrate-clamped PZT(95/5) film are 6.49 J/cm~3 and 54.5%,respectively.In contrast,after removing the substrate,the energy storage density and energy efficiency of the free-standing PZT(95/5) film are enhanced up to 17.45 J/cm~3 and 67.9%,respectively.     

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。     

Preparation and crystallization of Pb(Zr0.95Ti0.05)O3 thin films deposited by radio-frequency magnetron sputtering with a stoichiometric ceramic target

0.95 Ti_0.05)O₃ (PZT 95/5) thin films of perovskite structure were prepared on various substrates by the radio-frequency magnetron sputtering with a stoichiometric ceramic target. The crystal structure of the films showed a strong dependency on the crystal structure of the substrates. After conventional-furnace annealing at 750 °C, crack-free and transparent epitaxial PZT 95/5 films were successfully obtained on SrTiO₃(100) substrates, and highly oriented films on LaAlO₃(012). The films on r-sapphire exhibit slightly preferred orientation along both the (040) and (122) axes of the orthorhombic PZT 95/5 phase. The films on YSZ(100) consist principally of the perovskite PZT 95/5 phase with random orientation with a small portion of unknown phase. However, the formation of the perovskite PZT 95/5 phase was not observed in the films on Si(110) or (111)Pt-coated Si substrates. The crystallization of the perovskite PZT 95/5 on these substrates could be improved by rapid thermal annealing (RTA). Single perovskite phase was obtained in the films on (111)Pt/Si which had RTA at 750 °C for 1 min. No tangible loss of Pb from the films occurred during either the sputtering or annealing. Received: 17 April 1997/Accepted: 18 November 1997     

利用平面装置冲击合成PZT 95/5粉体的研究

 利用平面冲击波加载装置,以Pb₃O₄、ZrO₂和TiO₂为原料,Nb₂O₅为掺杂剂,合成了粒度均匀的亚微米级PZT 95/5粉体。实验通过改变飞片的厚度来调节其击靶速度,从而获得不同的冲击条件,并且实验的冲击条件均达到了PZT 95/5的合成要求。X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）分析表明,冲击合成后的样品存在明显的晶粒细化效应,同时产生了严重的晶格畸变和大量的晶格缺陷。