Электромеханический гистерезис, обратный пьезоэффект и реверсивная нелинейность сегнетокерамик различной степени сегнетожесткости
Скачать 418.17 Kb.
|
Рисунок 6. Зависимости степени C-доменизации и объема элементарной ячейки V пьезоэлектрических материалов типа ПКР от напряженности постоянного электрического поля (а)-ПКР-73; б)-ПКР-7М; в)-ПКР-66; г)-ПКР-6; д)-ПКР-8; е)-ПКР-78). Анализ полученных результатов показал следующее: Группа СМ-материалов. ПКР-73. Переключение поляризации (изменение направления хода зависимости C(E)) осуществляется при Е = 4 кВ/см, при этом эффект наиболее выражен в обратном поле. При Е = 7 кВ/см наблюдается максимум на зависимости V(E) (рис. 6а). Оба эффекта (переключение поляризации и аномальное поведение V) сопровождаются появлением промежуточных фаз, что подтверждает рентгенографический анализ. ПКР-7М. Переключение поляризации наступает в поле Е = 6 кВ/см, при этом эффект хорошо выражен как в прямом, так и в обратном поле. Аномалия V несколько «опережает» доменную перестройку и наблюдается при Е = 3-5 кВ/см (рис. 6б). Оба эффекта, как и в ПКР-73, сопровождаются появлением дополнительных фаз. ПКР-66. Переключение поляризации происходит при Е = 6,5 кВ/см, а в интервале (6-8) кВ/см имеет место аномальное поведение V (рис. 6в). Группа ССЖ-материалов. ПКР-6. Переключение поляризации имеет место при Е = 9 кВ/см, а в интервале Е = 8-10 кВ/см для V характерны немонотонные и экстремальные изменения (рис. 6г). Группа СЖ-материалов. ПКР-8. В интервале исследуемых полей переключение поляризации не наступает, но при Е 13кВ/см наблюдается резкое увеличение C-доменизации в прямом поле и уменьшение в обратном поле. Аномальное поведение V имеет место в интервале Е = 7-12 кВ/см (рис. 6д). ПКР-78. Так же, как и в ПКР-8, переключение поляризации не осуществляется, но при Е 14 кВ/см отмечается уменьшение C. Аномалия V наблюдается в интервале Е = 4-6 кВ/см (рис. 6е). Оба этих эффекта сопровождает появление промежуточных фаз и фазовых состояний. Таким образом, можно сделать следующие выводы. Под действием поля во всех исследованных материалах развиваются два процесса: фазообразование и перестройка доменной структуры. При этом в группах СМ и ССЖ материалов оба процесса формируются в интервале одних и тех же значений Е, совпадающих с напряженностями электрического поля, при которых достигаются максимумы d33 и (ε/ε0)реверс.. В СЖ материалах активное движение доменных границ начинается только в достаточно сильных полях Е = 11-15 кВ/см, совпадающих по величинам с теми, при которых фиксировались максимумы d33 и (ε/ε0)реверс.. В средних же полях Е = 6-8 кВ/см наблюдается только процесс кластеризации структуры, зарождения и развития новых фаз и фазовых состояний. Именно в этой области наблюдаются аномалии объема элементарной ячейки и первый максимум d33. Четвертая глава посвящена исследованию электромеханического гистерезиса, обратного пьезоэффекта и электрострикции в бинарных системах ТР и многокомпонентной на основе ЦТС. Выполнены измерения деформаций, обратных пьезомодулей и электромеханического гистерезиса ТР систем (1-x)PbZrO3-xPbTiO3, (1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3, 0.98(xPbTiO3-yPbZrO3-zPbNb2/3Mg1/3O3)-0.02PbGeO3. В качестве иллюстраций рассмотрены бинарные системы ТР, для которых выбраны кривые, характерные для ромбоэдрической (РЭ), тетрагональной (Т) и морфотропной (МО-область ромбоэдрическо-тетрагонального перехода) областей (рис. 7,8). В [11] введены такие понятия как фаза, фазовое состояние, которые будут использованы в настоящей работе: фаза - симметрийная и структурно-кристаллографическая характеристика идеализированного объекта (кристалла, керамики). Фаза характеризуется симметрией, параметрами ячейки, её мультиплетностью; фазовые состояния - области на фазовых диаграммах (внутри одной фазы), в которых имеют место качественные и количественные различия в поведении кристаллографических (параметры ячейки) и термодинамических (отклик на внешние воздействия – диэлектрическая проницаемость, модули упругости и т. д.) характеристик.   а) б)   в) г) Рисунок 7. Зависимости обратных пьезомодулей d33 (I) и полуциклов петель электромеханического гистерезиса (II) от амплитуды напряженности E3 электрического поля (а-в) и зависимости максимальных значений d33 и остаточной деформации ξ3 от концентрации компонентов (г) в ТР системы ЦТС. Локализация фаз, фазовых состояний, морфотропных областей и областей сосуществования фазовых состояний в системе по данным [11]:
Как видно из рис. 7, поведение d33 и ξ3(Е) в системе ЦТС близко к наблюдаемому в СЖ материалах ПКР: чаще всего без образования максимума d33 в исследуемом интервале изменений Е, но с изменением наклона кривых d33(Е) при Е~6 кВ/см и редко с формированием здесь размытого "купола" d33. По мере приближения к PbTiO3 гистерезис ξ3(Е) практически исчезает и d33 в полях, больших 6 кВ/см, практически не зависит от напряженности электрического поля. Такая эволюция изменения пьезомодуля, несомненно, связана с особенностями фазообразования и доменного строения ТР.   а) б)   в) г) Рисунок 8. Зависимости обратных пьезомодулей d33 (I) и полуциклов петель электромеханического гистерезиса (II) от амплитуды напряженности E3 электрического поля (а-в) и зависимости максимальных значений d33 и остаточной деформации ξ3 от концентрации компонентов (г) в ТР системы PMN-PT. Локализация фаз, фазовых состояний, морфотропных областей и областей сосуществования фазовых состояний в системе по данным [11]:
Тот факт, что параметры, характеризующие электромеханический гистерезис и обратный пьезоэффект в этой системе, во многом определяются особенностями структуры ТР, подтверждает рис. 7г, из которого хорошо видна корреляция этих параметров с фазовым составом изученных образцов: на границах фаз и фазовых состояний все параметры ведут себя скачкообразно, а их величины достигают максимума в областях РЭ-Т перехода. В системе (1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3 существование d33 в кубической фазе и его поведение вблизи PbMg1/3Nb2/3O3, аналогичное наблюдаемому в СЖ материалах, подтверждает факт существования в релаксорах полярных нанодоменов в неполярной матрице, способных ориентироваться под действием внешнего электрического поля. По мере приближения к РЭ-границе ТР "смягчаются" и остаются СМ, о чем свидетельствуют характерные немонотонные зависимости d33(Е) с максимумами d33 вблизи Е = 3 кВ/см вплоть до Т области, где ТР становятся сначала ССЖ материалами (размытые максимумы d33), а вблизи PbTiO3, как и в системе ЦТС, СЖ. Рис. 8г показывает хорошую корреляцию деформационных характеристик и d33 с фазовым состоянием. Основные особенности изменений d33 и ξ3 повторяется и в ТР системы 0.98(xPbTiO3 - yPbZrO3– zPbNb2/3Mg1/3O3) – 0.02PbGeO3. Специальное внимание было уделено исследованию отрицательной продольной электрострикции в материалах ПКР-7 и 0,67 PMN - 0,33 PT. В обычных диэлектриках с линейной зависимостью поляризации P от напряженности E электрического поля P = 0E (0 = dP/dE – диэлектрическая восприимчивость вещества, 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума) имеет место квадратичная зависимость деформации от P или E. Однако в нелинейных системах, рассматриваемых в настоящей работе, в достаточно сильных электрических полях происходят доменно-ориентационные процессы, связанные с переключением доменов в направления, ближайшие к направлению приложенного поля при увеличении E, и возвращением доменов в исходные состояния при уменьшении E. Нас интересовала только продольная электрострикция в направлении 3 приложенного электрического поля E3. Относительная продольная деформация 3 определяется из свободной энергии: 3 = Q33P32,  (1)и электрострикция определяется только поляризацией P3, а продольный коэффициент электрострикции Q33 > 0 слабо зависит от температуры, поляризации и напряженности электрического поля. Мы используем и исследуем как линейный (пьезоэлектрический коэффициент d33), так и квадратичный (пропорциональный коэффициенту электрострикции M33) члены разложения функции 3(E3) в степенной ряд по E3 c учетом нелинейной зависимости поляризации от напряженности электрического поля. Нелинейность поляризации приводит к тому, что как продольный дифференциальный пьезоэлектрический коэффициент  , (2)так и продольный дифференциальный коэффициент электрострикции  (3)являются функциями напряженности E3 электрического поля. Таким образом, в нелинейном приближении, благодаря зависящим от E доменно-ориентационным процессам, электрострикция возникает как следствие не только поляризации P3, но также диэлектрической восприимчивости 0 и диэлектрической нелинейности d(0)/dE3 ≠ 0. Так как диэлектрическая восприимчивость (0) всегда положительна, а поляризация P3 монотонно увеличивается с ростом E3, немонотонная зависимость и даже изменение знака M33(E3) связаны с немонотонной зависимостью восприимчивости 0 от напряженности E3 и изменением знака d(0)/dE3. Учет этой зависимости в (3) является основным отличием нашего подхода от обычно используемых. Все измерения выполнялись при комнатной температуре. Характерные зависимости 3(E3) (петли электромеханического гистерезиса при комнатной температуре) и рассчитанные по девственной кривой деформации полевые зависимости d33(E3) и M33(E3) показаны на рис. 9 и 10. Поведение рассчитанного по девственной кривой деформации дифференциального пьезоэлектрического коэффициента d33(E3) = d3/dE3 качественно не отличается от поведения эффективного пьезоэлектрического коэффициента d33eff = 3/E3 [12]. Оба пьезоэлектрических коэффициента имеют характерные максимумы в сильных полях E3 4-7 кВ/см, при которых наиболее интенсивны доменно-ориентационные процессы (любые не 180-ные переключения доменов дают вклад в деформации). В отсутствие доменных переключений (0) не зависит от E3 и зависимость d33(E3), как видно из (2), линейна. Происхождение максимумов d33(E3) связано с неравномерным распределением переориентируемых доменов по внутренним и коэрцитивным полям [12], однако при любых напряженностях E3 электрического поля d33 > 0. Экстремумы на кривых M33(E3) реализуются на участках крутого роста и крутого спада d33(E3) и соответствуют максимальным скоростям увеличения или уменьшения интенсивности не 180-ных доменно-ориентационных процессов. Наиболее интересен падающий участок зависимости d33(E3) в сильных полях, на котором d(d33)/dE 0 и, согласно (3) дифференциальный коэффициент электрострикции M33 0. Причина отрицательной электрострикции следующая: в нелинейных диэлектриках в сильных полях E зависимость P(E) обусловлена не только изменением напряженности E, но также зависимостью от E диэлектрической восприимчивости dP/dE = 0 вследствие быстрого уменьшения количества способных к переориентациям доменов и выхода кривой 3(E3) на участок насыщения.   |
Похожие:
 | 0 6 14 влияние йоддефицитных состояний различной степени тяжести... Используя их, учителя могут получить доступ к содержанию специализированных мультимедиа библиотек, энциклопедий, справочников, учебников,... |  | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Координационный класс, включающий в себя разучивание комбинаций различной степени сложности, состоящих из базовых движений аэробики.... |
| Календарно-тематическое планирование по элективному курсу «методы решения физических задач» Вступительный экзамен по физике в вуз проводится в письменной форме и состоит в решении достаточно большого количества задач различной... | | Задачи курса: Изучение специфики психического развития при первичных... ... |
| Свойства степени с натуральным показателем Закрепить знание свойств степени с натуральным показателем, способствовать отработке алгоритмов умножения и деления степеней, возведение... | | Рабочая программа учебной дисциплины код. Оп. 13 Конфигурирование систем и комплексов Составитель: Обыденкова Н. Г., преподаватель гбоу рм спо (ссуз) «Саранский электромеханический колледж» |
| Урок по русскому языку в 7 классе По теме: «Степени сравнения наречий» Цель урока: познакомить обучающихся с особенностями образования и употребления наречий в сравнительной и превосходной степени; научить... | | Электромеханический преобразователь комбинированной энергетической... ... |
| Конспект открытого логопедического занятия с учащимися 3 класса «б»... Карточки со словами-признаками к слову снег. Кирпичики снежной крепости с написанными предложениями. Ноут-бук, мультимедийный проектор,... | | Планирование изучения темы «Обобщение понятия степени» 13 уроков... Обобщить понятие квадратного корня на корень n-й степени и рассмотреть его свойства |
| Урок алгебры в 7 классе: «Свойства степени с натуральным показателем» Образовательные: отработка умений систематизировать, обобщать знания о степени с натуральным показателем, закрепить и усовершенствовать... | | Конспект урока по алгебре в 7-м классе на тему: «Свойства степени с натуральным показателем» Образовательные: – отработка умений систематизировать, обобщать знания о степени с натуральным показателем, закрепить и усовершенствовать... |
| Конспект урока по алгебре в 7-м классе на тему: «Свойства степени с натуральным показателем» Образовательные: – отработка умений систематизировать, обобщать знания о степени с натуральным показателем, закрепить и усовершенствовать... | | Электромеханический Кафедра Электрическая тяга Тема Модернизация системы управления электровоза вл10 на основе импульсного регулирования напряжения тяговых двигателей. Разработка... |
| Электромеханический Кафедра Электрическая тяга Тема Разработка технологии обслуживания поездов локомотивами и локомотивными бригадами на Свердловской железной дороге. Определение... | | Тема урока «Корень n-ой степени» Интегрирующие цели Определение. Арифметическим корнем n ой степени из числа a называют неотрицательное число, n-я степень которого равна а |
