多孔铁电陶瓷冲击压力下的力电耦合相变与放电机制研究

Porous PZT95/5 has rich microstructures and mechanical-electric coupling effects of ferroelectric functional material, which coexists ferroelectric(FE) and antiferroelectric (AFE) phase.Shock wave compression of poled PZT95/5 results in FE-AFE phase transition and rapid（microseconds）depoling (release of bound charge).This will generate high electrical current or voltage，which is the basic mechanism of explosive-driven ferroelectric generator and has very important applications in high-tech devices.In this project, we will focus on phase transition , mechanical-electric coupling mechanism of porous PZT 95/5 under shock wave compression based on phenomenological thermodynamics theory and phase field method，and systematic studies of the depolarization of porous PZT 95/5 samples using thermal heating and explosive shock compression.we will investigate the dynamic characteristics of pressure-induced ferroelectric to antiferroelectric phase transition under shock wave compression and self-generated electric field, establish irreversible phase transition phenomenological constitutive model under impact stress. the effects of many factors such as the shock wave velocity, dielectric properties,sturcture characteristics, the depolarization process,resistive load on discharge efficiency and mechanical-electric characteristics are further explored . Base on this, we expect a better understanding of its discharge mechanism. This study will provide a basic theoretical analysis framework and experimental study method on improving the reliability and output power of ferroelectric materials under shock wave compression.

多孔PZT95/5铁电陶瓷是一种铁电相(FE)和反铁电相(AFE)共存，并具有丰富微结构特征与强力电耦合效应的铁电功能材料。经过极化的多孔PZT95/5陶瓷能够在冲击应力加载下实现FE-AFE转换，快速（微秒量级）释放束缚电荷而产生强电流/电压输出，在高功率爆电电源等特殊高新技术装置中有着极为重要的应用。本课题拟基于LGD唯象热力学理论与相场方法相结合分析方法探讨冲击压力下多孔铁电材料FE到AFE的相变动力学基本特征与力电耦合机制，采用热加载与冲击压力对比实验探讨多孔PZT95/5去极化释电性能，揭示多孔PZT95/5铁电陶瓷冲击压力下和自生电场下的力电耦合相变机理；建立铁电陶瓷在冲击应力下弹性区不可逆相变唯象本构关系；进一步考虑冲击应力波速、介电性能、孔隙微结构特征、外电路负载等多因素对其放电机制与性能的影响，为铁电陶瓷材料高功率放电输出、可靠性预测提供基本的理论和实验研究方法与途径。

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、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。本项目围绕PZT95/5铁电陶瓷在冲击压力下的相变及放电机制基础性问题开展了深入研究，取得了一些研究成果和进展。主要包括：分析PZT95/5铁电陶瓷的铁电反铁电相变转换机理；构建PZT95/5铁电陶瓷相变动力学及在冲击压缩下去极化放电模型；以及为了更深入地分析该材料的相变及放电过程，自助搭建铁电陶瓷热冲击-力-电耦合加载与测试系统，实现缓慢热加载过程及瞬态热加载下多孔铁电陶瓷材料的去极化过程相变及释放电荷量的观测与实验研究，并与真实冲击加载铁电材料放电规律进行对比分析，很好地揭示了该材料冲击压缩下力学和电学演化规律。