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。     

单畴外延铁电薄膜的相结构与稳定性

论义采用动态金茨堡-朗道(DGL)方程研究了薄膜厚度与错配应变对(001)取向单畴外延PbTiO3(PTO)铁电薄膜相结构与稳定性的影响,结合平面内松弛应变(等效应变)、表面效应与退极化场等机电耦合边界条件,通过数值求解DGL方程获得外延单畴铁电薄膜错配应变厚度相图和错配应变温度相图.数值分析结果显示,由于生成的界面位错松弛了薄膜内错配应变,在理论高应变区相图与传统分析结果有较大差别,文中发现在更广的理论错配拉应变区出现稳定的四方相(c相)结构和单斜相(r相)结构.结果也显示,随着薄膜厚度的减小,表面效应与退极化效应会把顺电相扩展到更低温度区域,从而压缩稳定的铁电相存在的温度区域.     

循环电载下热效应对铁电材料畴变的影响

铁电材料在力、电载荷作用尤其是循环载荷作用下有明显的热效应.热效应会在铁电材料中引起应力场和电场.另外,在外载作用下铁电材料发生约束畴变时也会产生附加的应力场,这些附加的应力场和电场都会对铁电材料的畴变产生影响.而且在循环载荷作用的情况下,这种影响会逐渐累积.但在以往的研究中,很少涉及这种影响.该文就循环电载下热效应引起的力、电场和约束畴变时产生的附加应力场对铁电材料畴变的影响进行了初步研究.     

铁电阴极相对论行波管初步研究

研究了铁电材料的电子发射特性,根据实验和数值模拟结果给出了铁电发射特性的定性解释,并指出目前的几种铁电发射理论都不足以完备地解释各种实验现象。设计了Pierce型铁电阴极电子枪,实现了束流的二级压缩,其总束流大于100 A。在此基础上,分析和设计了具有盘荷波导慢波结构的相对论行波管,得到了带宽500 MHz,增益约25 dB的X波段行波放大输出。     

高储能密度铁电聚合物纳米复合材料研究进展

介电电容器具有超高功率密度、低损耗以及高工作电压等优点,是广泛应用于电子电力系统的关键储能器件.铁电聚合物是发展高储能密度电介质薄膜材料的理想选择,而基于铁电聚合物的纳米复合材料则兼具了聚合物的高击穿场强、柔性、易加工等特点以及陶瓷的高介电性能,是近年来电介质储能材料研究的前沿与热点.本文首先介绍了铁电聚合物材料的制备、铁电性能以及极化特性的调控方法,随后总结了铁电聚合物纳米复合材料中纳米填料、复合结构以及界面三个关键调控策略对复合材料介电与储能性能的影响,并探讨了基于相场方法的纳米复合材料中介电与储能特性的微观机制研究,最后对高储能密度铁电聚合物纳米复合材料现存问题以及未来发展方向进行了总结与展望.     

Landau-Devonshire理论探究不同类型铁电材料的电卡效应

近年来,低成本、高效、环保的电卡效应制冷材料得到了广泛研究,其中包括无机钙钛矿、有机钙钛矿、有机聚合物、分子铁电材料和二维铁电材料等.这些不同铁电材料的相变类型和电卡性能各异,而造成其差异的物理起源尚不明确.本文选择传统无机钙钛矿BaTiO₃, PbTiO₃和BiFeO₃,有机钙钛矿[MDABCO](NH₄)I₃,有机聚合物P(VDF-TrFE),分子铁电体ImClO₄和二维铁电体CuInP₂S₆这七种材料,利用Landau-Devonshire理论,研究并对比了其温变、熵变和电卡强度.通过分析自由能与极化之间的关系发现,在相变点附近,铁电材料的自由能势垒高度随温度的变化率越大,造成的极化随温度的变化率越高,而材料的电卡性能也越优异.本文揭示了不同类型铁电材料电卡性能差异的物理起源,为进一步开发具有高电卡性能的铁电材料提供理论指导.     

多孔铁电陶瓷冲击压缩响应与损伤演化的离散元数值模拟

采用flat-joint粘结模型,建立多孔铁电陶瓷在一维应变冲击压缩下的PFC (particle flow code)颗粒流离散元模型,通过数值模拟再现了平板撞击实验中实测的自由面速度剖面历史,并揭示了多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程与损伤演化机制。多孔铁电陶瓷在冲击压缩下的响应过程可分4个阶段:弹性变形、失效蔓延、冲击压溃变形、冲击Hugoniot平衡状态;其中,失效蔓延的内在机制是由剪切裂纹的成核与增长,而冲击压溃变形的主要机制是孔洞的塌缩以及层状剪切裂纹的形成与扩展;冲击速度与孔隙率对铁电陶瓷的响应有显著的影响,Hugoniot弹性极限强烈依赖于孔隙率,但与冲击速度的大小无关,宏观损伤累积随着冲击速度和孔隙率的增加而增加。     

Ba(Zr0.3Ti0.7)O3 铁电薄膜的制备

介绍了用溶胶-凝胶法(sol-gel)在Pt/Ti/SiO2/Si衬底和石英衬底上制备Ba(Zr0.3Ti0.7)O3铁电薄膜的基本原理、工艺过程及工艺特点;Sol-gel制备的Ba(Zr0.3Ti0.7)O3铁电薄膜表面平整、厚度均匀.     

LNO薄膜的射频磁控溅射制备及其电学性能与红外吸收性能

用磁控溅射法在Si（111）基片上以不同溅射功率沉积LaNiO3（LNO）薄膜,基片温度370℃,对沉积的薄膜样品进行快速热退火处理（500℃,10min）。使用电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）精确测量不同溅射功率沉积的LNO薄膜退火前后的组分情况。分析发现：LNO薄膜经退火处理后,其中的Ni／La的比值随着溅射功率增大而越接近理想比1：1,其导电性能也越好。另外,我们以相同工艺制备了不同厚度的LNO薄膜顶电极,四探针电阻测试仪和红外椭圆偏振光谱仪测试其电学与红外吸收性能,实验发现：（1）LNO薄膜的电阻率随膜厚的增加而降低,在大约300nm厚时略又有增加趋势;（2）LNO薄膜的红外吸收系数随其厚度的增加而增加,且随红外波长的增大而减小。