PZT955铁电陶瓷材料力—电响应及击穿失效研究.pdf

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1、分类号：密级：研究生学位论文PZT95/5铁电陶瓷材料论文题目（中文）力-电响应及击穿失效研究StudyonMechanical-ElectricResponseand论文题目（外文）DielectricBreakdownFailureofPZT95/5FerroelectricCeramics研究生姓名蒋一萱学科、专业力学、工程力学研究方向电磁固体力学学位级别博士导师姓名、职称王省哲教授论文工作起止年月2010年9月至2015年10月论文提交日期2015年10月论文答辩日期2015年11月学位授予日期校址：甘肃省兰州市原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的学

2、位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学

3、可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。本学位论文研究内容：□可以公开□不宜公开，已在学位办公室办理保密申请，解密后适用本授权书。（请在以上选项内选择其中一项打“√”）论文作者签名：导师签名：日期：日期：PZT95/5铁电陶瓷材料力-电响应及击穿失效研究中文摘要PZT95/5铁电陶瓷是一类处于铁电相(FE)与反铁电相(AFE)相界附近的特殊铁电功能性材料，其具有丰富的细微观结构特征与强力-电耦合效应，在压力、

4、温度、电场等外场诱导下极易发生结构相变并伴随着力学和电学等性能的显著变化。在外场作用下，特别是冲击机械载荷下PZT95/5铁电陶瓷能够实现FE-AFE相变的迅速转换，快速（微秒量级）释放束缚电荷而产生强的电流/电压输出，在高功率爆电电源、军工和核技术等高新技术装置与特殊装备领域有着极为重要的应用。由于PZT95/5铁电陶瓷的FE-AFE相变过程与快速放电响应是一涉及材料科学、力学、电学的多学科交叉领域，其在外场作用下的力-电耦合相变特征、放电机制及其力-电失效一直是该类铁电功能材料在工程与应用研究领域中的基础性科学问题与热点课题。针对PZT95/5铁电材料的

5、FE-AFE相变动力学过程以及静电场、冲击加载下的力-电耦合作用的电击穿失效等，本文开展了较为系统的理论和定量研究。首先，考虑PZT95/5铁电相变过程中的FE和AFE共存的特征，我们从铁电宏观唯象理论及Kittel反铁电相表征关系建立了一描述多场（如电场、力场等）作用下铁电-反铁电相变动力学模型。基于该理论模型，文中考虑机械载荷如静水压作用下的PZT95/5相变自由能、极化强度及力学特性随静水压的演化特征，并揭示了温度对其铁电-顺电、反铁电-顺电相变过程的影响及规律。其次，针对PZT95/5力-电失效的破坏现象，文中先从一类典型的电击穿失效——静电场下的铁

6、电材料电击穿问题出发，基于材料内部裂纹导电通道处电能与机械能转化特征、通道端部局部电场集中效应，建立一刻画铁电陶瓷材料通道电击穿失效的临界电场预测模型。该理论模型可将临界击穿电场与铁电材料介电常数、杨氏模量以及微结构特征如孔隙率等参数建立有效关联，较好地预测了不同孔隙率材料的击穿场强，与实验结果吻合良好；给出了击穿电场强度随材料孔隙率、通道特征尺寸的变化规律等。铁电材料冲击加载下的行为是一涉及到力学、电学及力电耦合特征的复杂动力学过程，其击穿破坏是一复杂的多因素力电失效问题，目前与之相关联的理论和机制研究相对匮乏。进一步，针对PZT95/5另一类典型的力-电

7、失效——作为爆电电源的核心材料在冲击压缩加载下的电击穿问题，文中开展了电击穿临界场强预测的理论研究。基于PZT95/5铁电陶瓷冲击加I载下强放电过程中的基尔霍夫电流源定律和电路分析，文中获得了力-电转化过程中电流电压输出的解析表达式，结合稳定最大放电的极限值以及静电场下击穿失效模型，建立了PZT95/5冲击加载下电击穿失效的上、下临界电场预测模型，通过与实验结果的对比表明：实验结果介于预测的上、下临界电场之间，该模型能够较好地预测PZT95/5冲击加载下的击穿电场强度、给出合理的预测范围。尽管该模型仅给出了上、下临界击穿电场场强的较大范围，但是这是现有文献

8、中PZT95/5铁电材料冲击加载下力-电失效电击穿临