高密度PZT95-5陶瓷的沖擊相變及放電性能研究.pdf

1、利用PZT95/5陶瓷在沖擊波作用下發(fā)生鐵電三角相（FR）→反鐵電正交相（Ao）的相變、瞬間去極化、釋放陶瓷電極表面束縛的電荷，在微秒量級(jí)輸出大電流的性能研制的新型脈沖能源，在美國(guó)、英國(guó)及俄羅斯等國(guó)家的高新技術(shù)上已得到了應(yīng)用。研究PZT95/5鐵電陶瓷沖擊相變及相變導(dǎo)致的放電性能，對(duì)拓展該材料在沖擊波條件下的使用有重要價(jià)值。同時(shí)，由于該沖擊相變發(fā)生在彈性區(qū)內(nèi)，相變過程受材料本構(gòu)關(guān)系影響較大，有關(guān)實(shí)驗(yàn)方法和診斷技術(shù)的研究報(bào)道較少、難度較大

2、，因此PZT95/5陶瓷的沖擊相變研究對(duì)發(fā)展材料彈性區(qū)內(nèi)沖擊相變的實(shí)驗(yàn)研究方法、建立包含相變的本構(gòu)模型有積極意義。
　　本文以國(guó)產(chǎn)高密度(7.76 g/cm3) PZT95/5陶瓷作為研究對(duì)象，在一級(jí)氣體炮上開展了一維應(yīng)變平面沖擊波加載實(shí)驗(yàn)。
　　通過研究沖擊波傳播過程中陶瓷的Hugoniot性能、高壓聲速及沖擊去極化釋放的電性能，提出了一種彈性區(qū)不可逆相變本構(gòu)模型，深入分析了相變與沖擊軸向應(yīng)力、沖擊釋電的關(guān)系。本文的主要工

3、作及創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下:
　　1.在逆向碰撞實(shí)驗(yàn)中，使用含熔石英窗口的激光速度干涉測(cè)量技術(shù)(VISAR)，精確測(cè)試了0.48～3.78 GPa壓力范圍內(nèi)PZT95/5陶瓷的軸向應(yīng)力-粒子速度Hugoniot關(guān)系。與未極化陶瓷在彈性區(qū)的線性沖擊軸向應(yīng)力-粒子速度Hugoniot關(guān)系明顯不同的是，彈性區(qū)內(nèi)極化陶瓷的沖擊軸向應(yīng)力-粒子速度Hugoniot關(guān)系可以用三段式折線表示。綜合Setchell(J Appl Phys，2003，94(

4、1):573)對(duì)PZT95/5陶瓷屈服起始應(yīng)力和Avdeev（Phys Rev B，2006，73:064105）對(duì)PZT95/5陶瓷FR→Ao相變前后晶格參數(shù)變化的研究結(jié)果，得到了國(guó)產(chǎn)高密度PZT95/5陶瓷在大約0.5～2.0 GPa應(yīng)力范圍發(fā)生了彈性區(qū)一級(jí)結(jié)構(gòu)相變的結(jié)論。研究結(jié)果為建立彈性應(yīng)力區(qū)內(nèi)包含相變的材料的本構(gòu)關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。
　　2.利用上述逆向碰撞實(shí)驗(yàn)中得到的PZT95/5陶瓷粒子速度剖面，計(jì)算了在彈性區(qū)內(nèi)的縱波聲

5、速。結(jié)果表明，PZT95/5陶瓷在彈性區(qū)內(nèi)的縱波聲速隨沖擊加載應(yīng)力的增加而增大?？v波聲速隨沖擊加載應(yīng)力的變化的斜率因相變而發(fā)生拐折，也可以用三段折線描寫。
　　3.對(duì)國(guó)產(chǎn)高密度PZT95/5陶瓷的相變引起的去極化過程和電流釋放性能進(jìn)行了研究。首先，通過比較沖擊釋放剩余極化強(qiáng)度Prs與陶瓷的初始剩余極化強(qiáng)度Pr，確定了該陶瓷材料相變起始應(yīng)力為(0.30±0.15) GPa，相變完成應(yīng)力為(1.90±0.15)GPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在

6、陶瓷相變區(qū)內(nèi)，沖擊軸向應(yīng)力幅值越大，電流幅值越大。其次，對(duì)于完全相變后的PZT95/5陶瓷，研究了外電路負(fù)載對(duì)陶瓷電流輸出性能的影響。通過等效電路的計(jì)算分析，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明:完全相變后的PZT95/5陶瓷可等效為脈沖恒流源，釋放的電流為恒定值;釋放的電流受外電路的RLC負(fù)載參數(shù)影響:電感負(fù)載導(dǎo)致電流幅值增加，波形振蕩;純電阻負(fù)載的電流幅值穩(wěn)定，電流響應(yīng)時(shí)間隨負(fù)載電阻的增加而增加。
　　4.在高密度PZT95/5陶瓷Hugonio

7、t性能、聲速、彈性模量的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，將唐志平等人提出的描寫一維應(yīng)力加載下彈性區(qū)不可逆相變本構(gòu)模型拓展到本文研究的一維應(yīng)變加載條件下，建立了PZT95/5陶瓷FR→Ao相變本構(gòu)模型:
　　σ={156.3εσ|≤|σA|σA+σB-σA/εB-εA（ε-εA）|σA|＜|σ|≤|σB|σB+145.76(ε-εB)|σ|＞|σB|
　　式中，σA、εA分別表示相變起始點(diǎn)的沖擊軸向應(yīng)力和應(yīng)變，σσB、δB分別表示相變完成點(diǎn)的

8、沖擊軸向應(yīng)力和應(yīng)變。根據(jù)本文對(duì)國(guó)產(chǎn)高密度PZT95/5陶瓷實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果，σA=0.23 GPa，εA=1.48×10-3，σB=1.94 GPa，εB=1.34×10-2。
　　5.根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的PZT95/5陶瓷在相變過程中釋放的電荷，提出了用沖擊相變過程中陶瓷的Ao相的體積分?jǐn)?shù)ξ來描述陶瓷的動(dòng)態(tài)相變特性，Ao相的體積分?jǐn)?shù)ξ定義為陶瓷沖擊釋放的剩余極化強(qiáng)度Prs和陶瓷初始剩余極化強(qiáng)度Pr的比值。由于FR相和Ao相的密度已知，相

9、變過程中Ao相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以通過體積分?jǐn)?shù)ξ定。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)得的PZT95/5陶瓷的σ-u Hugoniot性能和電釋放性能，描寫國(guó)產(chǎn)高密度PZT95/5陶瓷的Ao相體積含量ξ隨沖擊軸向應(yīng)力σ的變化的關(guān)系式如下:
　　ξ=Prs/Pr={00＜σ≤0.23 GPa0.53/-0.19-σ+1.250.23 GPa＜σ≤1.94 GPa100％σ＞1.94 GPa
　　根據(jù)相變體積含量關(guān)系式，極化高密度PZT95/5陶瓷的相變起始

10、應(yīng)力為0.23 GPa，相變結(jié)束應(yīng)力為1.94 GPa。
　　綜上所述，本文發(fā)展了一種一維應(yīng)變條件下研究彈性區(qū)相變材料的本構(gòu)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究方法，并確定了國(guó)產(chǎn)高密度PZT95/5陶瓷的沖擊相變動(dòng)力學(xué)模型。本實(shí)驗(yàn)研究方法采用逆向碰撞實(shí)驗(yàn)技術(shù)和帶窗VISAR測(cè)試技術(shù)，用于獲取“樣品/透明窗口界面”的粒子速度和沖擊加載下的聲速。本方法可用于其它材料的本構(gòu)關(guān)系及低壓相變研究。本研究獲得的國(guó)產(chǎn)高密度PZT95/5陶瓷的沖擊動(dòng)力學(xué)參數(shù)、沖擊相變