含微裂纹铁电陶瓷冲击波加载放电下的电击穿特性分析.pdf

含微裂纹铁电陶瓷冲击波加载 放电下的电击穿特性分析1） 2） 蒋一萱 ，王省哲 (兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，土木工程与力学学院，兰州，730000) 摘要：电极化PZT95/5铁电陶瓷能够在冲击波加载作用下快速 （微秒量级）退极化释放束缚电荷，以形成高功率的瞬态电能 输出。本文考虑理想及含微裂纹铁电陶瓷材料在外电场作用下内部形成导电通道以致电失效的情形，基于铁电体冲击放电的 电场强度特性和通道电机械击穿理论，对于冲击波垂向加载情形下的铁电体的放电强度以及导电通道诱导的电击穿机理进行 了理论分析与探讨，给出了电击穿对应的电场强度 （或电压）的初步估计，相关预测结果与实验测试结果进行了对比，变化 规律一致，此外还给出了击穿时间随铁电材料结构的几何特征、材料参数等的变化规律。 关键词: PZT95/5铁电陶瓷；击穿电场强度；冲击波；微裂纹 1.引言 铁电陶瓷(Pb(Zr,Ti)O )PZT95/5 是指Zr 和Ti 的摩尔比在95/5附近、铁电相(FE)和反铁电相(AFE)共存 3 的一类铁电功能性材料。经过电极化的PZT95/5铁电陶瓷能够在冲击波加载作用下发生铁电相到反铁电相 的转变，从而快速 （微秒量级）退极化释放束缚电荷，电荷流经外电路输出高电流或高电压，以形成高功 率的瞬态电源。正是由于其具有的冲击加载下的快速和高功率放电的优越性能，被广泛用于脉冲能源装置 [1-3] 中 。但铁电陶瓷材料只有在内部不发生电击穿 （电失效）的条件下才能在外电路形成电能输出，因此 [4-12] PZT95/5陶瓷在冲击波作用下的放电和电击穿特性对于提高脉冲电源的可靠性具有重要意义 。 PZT95/5 铁电陶瓷的电击穿破坏长期以来受到人们的关注，Lysne[4-5]最早开展了PZT65/35 陶瓷冲击波 轴向加载的电击穿实验测试，获得了击穿电压与冲击压力的关系，并认为电击穿不只与冲击载荷有关，同 时也与陶瓷结构的相变、材料各向异性、介电松弛、负载电阻及力电耦合等多因素相关，是一个很复杂的 失效过程。此外，实验也观测到电击穿不是瞬时发生的，随着电场的增加击穿的时间缩短。国内学者温殿 [8-9] 英等 开展了类似的实验研究，探讨了在冲击波垂直加载的条件下PZT95/5 铁电陶瓷的电击穿特性，认为 输出电路的负载电阻R是引起电击穿的重要因素；PZT95/5 陶瓷在冲击加载下击穿时输出的电压波形由方 [10] [11] 形波畸变成近似三角形波,且峰值电压急剧降低。贺元吉 ,张福平 等认为冲击加载下铁电陶瓷的电击穿 [12] 特征属于弱点击穿，并基于Weibull 分布来描述其电击穿特征。杨洪 通过实验测试PZT95/5 铁电陶瓷在 静电场下的变形发现，PZT95/5 型铁电陶瓷的电击穿强度与材料在电场下的应变密切相关，指出电机械击 穿机制是PZT95/5 型铁电陶瓷的电击穿主导机制等。尽管对于固体介电质的电击穿机制从物理角度已有一 [13] 些理论可以给出直观的解释，例如已有的击穿理论 包括本征电击穿理论 （碰撞电离理论）、雪崩电击穿 理论、热击穿理论、电机械击穿、弱点击穿理论，以及考虑机械破坏对导电通道的诱发作用而引起的电击 1 穿机制等。但是相关的预测和机制的理论研究尚十分匮乏，而目前国内外对于冲击波加载作用下 PZT95/5 陶瓷的放电与电击穿的研究大多更是以实验观测为主，与此关联的理论研究及定量结果更少有开展。 本文基于铁电体冲击加载情形下放电的电场强度特征和通道电机械击穿理论，通过铁电陶瓷材料的通