等静压下PbZrO3基铁电陶瓷材料退极化行为的研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:gaboo
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铁电体高功率脉冲电源在国防、航空航天等高新技术领域具有重要应用。主要工作原理是处于铁电-反铁电相界附近的材料在电场作用下极化为铁电材料,并在电极表面感应出相应密度的束缚电荷,然后在冲击波作用下发生相变退极化效应瞬间释放高功率脉冲。Pb(Zr0.95Ti0.05)O3(PZT95/5)铁电陶瓷由于其高的剩余极化强度、丰富的相结构和应力诱导相变退极化,是目前铁电脉冲电源应用的主流材料。PZT95/5铁电陶瓷在实际应用中面临的最大技术挑战是45℃附近有一高低温铁电相变(FRLT-FRHT),该相变过程造成剩余极化强度(Pr)降低10%左右;由铁电材料的储能密度公式u=Pr2ε/2rε0可知,剩余极化强度的减少大大降低了材料的储能密度。由于铁电体脉冲电源的服役温度为-55℃到125℃之间,PZT95/5铁电陶瓷的高低温铁电相变过程大大影响材料性能的稳定性。能否从钙钛矿铁电陶瓷晶体结构出发,通过FR(LT)-FR(HT)相界设计和调控,消除FR(LT)-FR(HT)相界或改变相级数。此外,铁电体脉冲电源受冲击波和等静压作用下组分、微孔以及外接负载等的影响一直是人们关注并研究的重点,但等静压作用下晶粒尺寸的影响还没得到系统的研究。为获得不存在FR(LT)-FR(HT)相变,并且处于铁电-反铁电相界的材料,通过查阅相关资料我们设计并制备了由正交反铁电材料锆酸铅(Pb ZrO3,PZ)和六方微波介质材料铌镁酸钡(Ba(Mg1/3Nb2/3)O3,BMN)的(1-x)PZ-xBMN铁电陶瓷材料,其中x=0.02,0.03,0.04和0.05。显微结构分析和电滞回线的测试结果表明随着x的增加材料由反铁电相变为铁电相,再转变为驰豫铁电相。尤其,当x=0.03时0.97PZ-0.03BMN陶瓷材料处于铁电-反铁电相界附近,在4.5kV/mm电场下Pr=32.4μC/cm2;等静压下的原位退极化实验结果发现0.97PZ-0.03BMN铁电陶瓷在较低的等静压200MPa时开始退极化,并且230MPa时完成退极化过程,此时的退极化率可达到90%。等静压和强电场下出现的双电滞回线测试结果表明,此退极化过程与PZT95/5铁电陶瓷类似,发生了铁电-反铁电(FE-AFE)相变。当温度从室温升至居里温度195℃时,介电常数的倒数随温度线性变化,即在此温度范围内没有发生其它相变。变温电滞回线的测试结果表明,在较宽的温度范围内其Pr几乎没有变化;0.97PZ-0.03BMN陶瓷材料Pr的温度稳定性远优于PZT95/5陶瓷材料。由于此组分陶瓷材料不仅在应力作用下诱导发生FE-AFE相变退极化,而且在宽温度范围内具有较强的温度稳定性,可代替PZT95/5陶瓷材料成为新一代铁电体高功率脉冲电源元件,应用于较高温度的环境。不同晶粒尺寸的PZT95/5陶瓷材料在等静压作用下退极化行为的研究表明,初始相变压随晶粒尺寸的增加先增大后减少,当晶粒尺寸为7.91μm时为最大值,并且此时的退极化率和等静压退极化系数也为最大值。
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