多孔Pb(Zr 0.95 Ti 0.05 )O 3 铁电陶瓷的力学性能及失效行为研究
发布时间：2021-06-23 16:51
铁电陶瓷具有力电耦合性能,被广泛应用于各种传感器、智能材料与智能结构以及储存、记忆器等诸多领域中。铁电陶瓷种类繁多,其中钙钛矿结构的Pb（Zr,Ti）O3（PZT）基铁电陶瓷是目前最具有应用价值的一类铁电材料,也是当今国内外研究的热点。本文关注的是处于铁电（FE）-反铁电（AFE）相界附近的PZT95/5铁电陶瓷。PZT95/5铁电陶瓷在爆炸冲击波作用下发生铁电–反铁电相变（FE-AFE）,同时在外接负载上释放出强的电流脉冲或电压脉冲,可得到兆瓦级峰值功率的脉冲电源,在工业和国防领域有广泛的应用前景。但是PZT95/5铁电陶瓷用作爆炸铁电体电源在冲击波压缩作用下,冲击应力造成材料机械性能失效,从而诱发介电击穿,使整个爆炸铁电体电源失效。与致密PZT95/5陶瓷相比,多孔PZT95/5陶瓷在冲击波压缩作用下具有更高的抗电击穿强度和较低的相变压力,有利于爆炸铁电体电源的可靠性和小型化。因此,本文以多孔PZT95/5铁电陶瓷为研究对象,在准静态单轴压缩、动态单轴压缩、三点弯曲以及平板撞击加载下,较系统地研究多孔PZT95/5铁电陶瓷材料的相变动力学、本构响应、微裂纹损伤演化等特性,讨论了极化...
【文章来源】：宁波大学浙江省
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
钙钛矿结构的一个结构单元Fig1.1Astructuralunitoftheperovskite
与普通陶瓷材料相比，PZT95/5 铁电陶瓷在压缩变形过程中可能将涉及畴变、相变及力电耦合作用，其断裂失效行为可能更为复杂。图1.4 准静态单轴压缩下氧化铝陶瓷的破碎过程[23]Fig1.4 The fragmentation process of alumina ceramics under quasi-static uniaxialcompression1.3.2 微孔结构对 PZT 铁电陶瓷的力学行为与失效的影响在多孔材料中，孔洞通常以气相形式即作为第二相存在，不论对于天然或人造材料，多数材料的力学行为对微孔洞的存在均较为敏感。1.微孔结构对各类型材料力学行为及失效的影响在自然界，天然的多孔材料中山毛榉、柳树等硬木相比于其他树木，具有低密度高强度的物理、力学特性，其主要源于材料内部孔壁的弹性吸收了压力产生的能量。在金属材料中，王永刚[66]等人对孔隙率为 3.3%的高纯铝进行冲击压缩及拉伸行为实验研究，结果显示在 320m/s 冲击速度下孔隙率为 3.3%的高纯铝没有出现动态拉伸破坏，而致密的高纯铝则在 300m/s 冲击速度下出现动态破坏
铁电陶瓷的力学性能及失效研究8图1.5 金属玻璃压缩破坏的宏观和显微照片[67]Fig.1.5 Optical and SEM images of bulk metallic glass after compression[67]脆性材料是典型的非均质体，普遍包含着不同尺度的缺陷，而当脆性介质受到外力载荷作用时，微裂纹将在这些缺陷的周围产生并且扩展、聚合导致材料宏观上的破坏。因此，微孔结构对脆性材料失效行为的影响较为敏感，尤其在失效过程中孔洞起到的作用。Wada[67]等人发现对作为高强脆性材料的金属玻璃适当的进行人工预制孔洞可以有效的提高其韧性，通过单轴压缩实验试样回收的结果显示（如图 1.5）微孔洞的添加导致材料发生剪切带分叉和相互作用，从宏观上提高了塑性应变。Keigo[68]等人通过四点弯曲实验对含孔隙陶瓷的断裂强度与微孔尺寸的相关性进行研究，结果表明含孔隙陶瓷的断裂强度明显低于高密度的陶瓷，另外，缺陷的尺寸对断裂强度大小有着明显的影响，并且断裂能随着裂纹所经过孔隙尺寸的增加而增加。Leguillon[69]等人在线弹性力学的基础上通过简化的模型说明了单一孔洞在裂纹扩展过程中钝化效应的机制
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔PZT95/5铁电陶瓷的机械性能和铁电性能研究[J]. 曾涛,白杨,沈喜训,王保峰,董显林,周志勇. 无机材料学报. 2014(07)
[2]致密PZT95/5铁电陶瓷低温相结构与电性能研究[J]. 兰春锋,聂恒昌,陈学锋,王军霞,王根水,董显林,刘雨生,贺红亮. 无机材料学报. 2013(05)
[3]数字散斑相关方法测定岩石Ⅰ型应力强度因子[J]. 代树红,马胜利,潘一山,董子贤. 岩石力学与工程学报. 2012(12)
[4]铁电陶瓷PZT53多轴力电耦合下的屈服行为[J]. 万强,陈常青,沈亚鹏. 实验力学. 2008(05)
[5]SHPB试验中试件的轴向应力均匀性[J]. 毛勇建,李玉龙. 爆炸与冲击. 2008(05)
[6]PZT 95/5铁电陶瓷的冲击压缩Hugoniot特性研究[J]. 刘高旻,杜金梅,刘雨生,谭华,贺红亮. 高压物理学报. 2008(01)
[7]不同加载压力下PZT-95/5铁电陶瓷放电特性研究[J]. 刘雨生,刘高旻,张福平,贺红亮. 压电与声光. 2008(01)
[8]脆性基多孔材料孔洞的尺寸效应及其破坏模式研究[J]. 段进超,唐春安,常旭. 岩土力学. 2007(03)
[9]有限杆中不可逆相边界的传播规律及其应用[J]. 徐薇薇,唐志平,张兴华. 高压物理学报. 2006(04)
[10]PZT基反铁电材料研究进展[J]. 夏志国,李强. 人工晶体学报. 2006(04)
博士论文
[1]铁电材料动态断裂力学研究[D]. 陈浩森.清华大学 2015
[2]冲击波压缩下铁电陶瓷力—电失效实验研究[D]. 张福平.中国工程物理研究院 2013
[3]冲击压缩下纳米多晶金属塑性及相变机制的分子动力学研究[D]. 马文.国防科学技术大学 2011
[4]高密度PZT95/5陶瓷的冲击相变及放电性能研究[D]. 刘高旻.中国工程物理研究院 2009
[5]脆性材料的细观损伤理论和损伤结构的安定分析[D]. 冯西桥.清华大学 1995
本文编号：3245308
【文章来源】：宁波大学浙江省
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
钙钛矿结构的一个结构单元Fig1.1Astructuralunitoftheperovskite
与普通陶瓷材料相比，PZT95/5 铁电陶瓷在压缩变形过程中可能将涉及畴变、相变及力电耦合作用，其断裂失效行为可能更为复杂。图1.4 准静态单轴压缩下氧化铝陶瓷的破碎过程[23]Fig1.4 The fragmentation process of alumina ceramics under quasi-static uniaxialcompression1.3.2 微孔结构对 PZT 铁电陶瓷的力学行为与失效的影响在多孔材料中，孔洞通常以气相形式即作为第二相存在，不论对于天然或人造材料，多数材料的力学行为对微孔洞的存在均较为敏感。1.微孔结构对各类型材料力学行为及失效的影响在自然界，天然的多孔材料中山毛榉、柳树等硬木相比于其他树木，具有低密度高强度的物理、力学特性，其主要源于材料内部孔壁的弹性吸收了压力产生的能量。在金属材料中，王永刚[66]等人对孔隙率为 3.3%的高纯铝进行冲击压缩及拉伸行为实验研究，结果显示在 320m/s 冲击速度下孔隙率为 3.3%的高纯铝没有出现动态拉伸破坏，而致密的高纯铝则在 300m/s 冲击速度下出现动态破坏
铁电陶瓷的力学性能及失效研究8图1.5 金属玻璃压缩破坏的宏观和显微照片[67]Fig.1.5 Optical and SEM images of bulk metallic glass after compression[67]脆性材料是典型的非均质体，普遍包含着不同尺度的缺陷，而当脆性介质受到外力载荷作用时，微裂纹将在这些缺陷的周围产生并且扩展、聚合导致材料宏观上的破坏。因此，微孔结构对脆性材料失效行为的影响较为敏感，尤其在失效过程中孔洞起到的作用。Wada[67]等人发现对作为高强脆性材料的金属玻璃适当的进行人工预制孔洞可以有效的提高其韧性，通过单轴压缩实验试样回收的结果显示（如图 1.5）微孔洞的添加导致材料发生剪切带分叉和相互作用，从宏观上提高了塑性应变。Keigo[68]等人通过四点弯曲实验对含孔隙陶瓷的断裂强度与微孔尺寸的相关性进行研究，结果表明含孔隙陶瓷的断裂强度明显低于高密度的陶瓷，另外，缺陷的尺寸对断裂强度大小有着明显的影响，并且断裂能随着裂纹所经过孔隙尺寸的增加而增加。Leguillon[69]等人在线弹性力学的基础上通过简化的模型说明了单一孔洞在裂纹扩展过程中钝化效应的机制
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔PZT95/5铁电陶瓷的机械性能和铁电性能研究[J]. 曾涛,白杨,沈喜训,王保峰,董显林,周志勇. 无机材料学报. 2014(07)
[2]致密PZT95/5铁电陶瓷低温相结构与电性能研究[J]. 兰春锋,聂恒昌,陈学锋,王军霞,王根水,董显林,刘雨生,贺红亮. 无机材料学报. 2013(05)
[3]数字散斑相关方法测定岩石Ⅰ型应力强度因子[J]. 代树红,马胜利,潘一山,董子贤. 岩石力学与工程学报. 2012(12)
[4]铁电陶瓷PZT53多轴力电耦合下的屈服行为[J]. 万强,陈常青,沈亚鹏. 实验力学. 2008(05)
[5]SHPB试验中试件的轴向应力均匀性[J]. 毛勇建,李玉龙. 爆炸与冲击. 2008(05)
[6]PZT 95/5铁电陶瓷的冲击压缩Hugoniot特性研究[J]. 刘高旻,杜金梅,刘雨生,谭华,贺红亮. 高压物理学报. 2008(01)
[7]不同加载压力下PZT-95/5铁电陶瓷放电特性研究[J]. 刘雨生,刘高旻,张福平,贺红亮. 压电与声光. 2008(01)
[8]脆性基多孔材料孔洞的尺寸效应及其破坏模式研究[J]. 段进超,唐春安,常旭. 岩土力学. 2007(03)
[9]有限杆中不可逆相边界的传播规律及其应用[J]. 徐薇薇,唐志平,张兴华. 高压物理学报. 2006(04)
[10]PZT基反铁电材料研究进展[J]. 夏志国,李强. 人工晶体学报. 2006(04)
博士论文
[1]铁电材料动态断裂力学研究[D]. 陈浩森.清华大学 2015
[2]冲击波压缩下铁电陶瓷力—电失效实验研究[D]. 张福平.中国工程物理研究院 2013
[3]冲击压缩下纳米多晶金属塑性及相变机制的分子动力学研究[D]. 马文.国防科学技术大学 2011
[4]高密度PZT95/5陶瓷的冲击相变及放电性能研究[D]. 刘高旻.中国工程物理研究院 2009
[5]脆性材料的细观损伤理论和损伤结构的安定分析[D]. 冯西桥.清华大学 1995
本文编号：3245308
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