Магомедова Зульфия Серажутдиновна
Скачать 85.79 Kb.
|
| УДК. 621.315.592 Влияние механических напряжений на процессы переключения в пьезокерамике ЦТС Магомедова Зульфия Серажутдиновна1 курс магистратуры кафедра экспериментальной физики Дагестанский Государственный Университет (г. Махачкала) Научный руководитель: Садыков Садык Абдулмуталибович Пьезокерамика на основе твердых растворов Pb (Ti,Zr) O3 (ЦТС) благодаря сво им превосходным свойствам является основой значительной части современных пьезокерамических материалов. Подробное описание этой системы дано в работах [1,2]. Естественным шагом на пути создания новых высокоэффективных пьезо ке ра ми чес ких материалов явился переход к многокомпонентным систе мам на основе ЦТС. Именно в этих системах получены необходимые для раз личных применений со четания параметров. В зависимости от вида катионов B, входящих в сложные окислы, мно го компонентные системы отличаются по степени сегнетожесткости, под кото рой обычно понимают устойчивость доменной структуры к внешним воз дей ст виям. Сегнетожесткость сегнетоэлектрической керами ки определяется в значи тельной степени величиной локальных упругих напряжений, возни ка ющих при пе ре ориентации доменов. С ростом этих напряжений сегнето же ст кость возраста ет. При э том растет коэрцитивное поле EC, то есть уменьша ется податли вость до ме нов к внешним воздей ствиям.  Рис. 1. 1. Фазовая диаграмма твердых растворов PbTiO3 - PbZrO3 . В керамическом образце во время поляризации наблюдаются де фор мации трех типов. При низких полях происходят 1800 - ные переклю чения, не вызывающие внутренних механических напряжений. Переориен тация доменов на другие углы. Отличающиеся от 1800 - ных, неизбежно вы зы вает большую деформацию. Эта переориентация сопровождается пьезо электрическим эффектом ориентированных доменов, на что накладывается истинная электрострикция кристаллов, величина предполагается незначи тельной. Внешние механические напряжения оказывают существенное влия ние как на доменную структуру сегнетоэлектриков, так и на их сегнето электрические свойства. Они влияют на диэлектрическую прони цаемость  , на поляризацию PS, на характер закона Кюри - Вейсса, а также на пьезоэлектрические коэффициенты. Напряжение может изменять доменную структуру и параметры переключения, обусловленные измене нием энергии доменных стенок вследствие изменения спонтанной поляри зации PS под давлением. Механические напряжения оказывают воздейст вия также на процессы переключения поляризации в электрических полях.Влиянию одностороннего механического давления на диэлектричес кие свойства сегнетоэлектриков посвящен ряд работ. Было найдено, что при давлении в направлении приложенного поля изменение свойств сегне то электриков в сильных полях сводится к спаду спонтанной поляризации. Наблюдалось уменьшение с ростом давления при сжатии в направле нии поля (продольное сжатие) и увеличение при сжатии в перпенди кулярном направлении (поперечное сжатие); в первом случае максимум на кривой (E) смещается в сторону больших значений поля, во втором - в сторону слабых полей. Когда поляризация сегнетоэлектрического кристалла под дейст вием внешнего электрического поля изменяет свое направление на проти воположное, то доменная структура претерпевает радикальные изменения. Обычно процессы переполяризации исследуют по методике, впер вые предложенной Мерцем. Эта методика включает подачу на кристалл прямоугольных биполярных импульсов напряжения с крутым фронтом на рас тания, причем таких, что каждый импульс изменяет знак существующей, прежде поляризации. Амплитуда и продолжительность импульса подби раются такими, чтобы могла быть достигнута полная переполяризация.В данной работе исследование кинетических характеристик переключения поляризации выполнены по методике, описанной в [3]. Отли чительная ее особенность состоит в том, что измерения интегральных характеристик переключения проводятся в однополярных импульсных электрических полях с регулируемой скоростью нарастания, что поз воляет повысить информативность метода исследования. Исследовались образцы пьезокерамики ПКР - 1 [3]. Данный состав лежит в окрестности морфотропной области со стороны ромбо эдрической границы. Образцы имели форму дисков с вожженными сереб рянными электродами диаметром 10 мм и толщиной 2 мм. Этот состав отличается повышенной чувствительностью к механическому напряжению, что обеспечивается высокими значениями пьезо электри ческих параметров [3].  33 /0 - 700 ; кр - 0,62 ; Qm - 90 ; g31 - 16,5 · 10-3 В ·м/H.Как известно, внешние механические напряжения оказывают су щественное влияние на доменную структуру и параметры переключения поляризации в сегнетоэлектрических кристаллах вследствие изменения энергии доменных стенок. Из термодинамической теории следует, что сжатие сегнетоэлектрического кристалла вдоль оси поляризации делает его состояние энергетически неустойчивым и приводит к изменению направления вектора спонтанной поляризации на 900. С ростом внешних напряжений все большее число доменов испытывают 900 - ные повороты, идущие с возникновением больших внутренних механических напряжений и приводящие к частичной деполяризации сегнетоэлектрика. Имеющиеся в литературе сведения о поведении сегнетоэлектриков при одновременном воздействии механических и электрических полей в большей части относятся к монокристаллам. Некоторые из закономерностей доменных переориентаций, характерных для монокристаллов, наблюдаются и для поликристаллических кристаллов. В частности, в [4, 5] обнаружено значительное влияние механических напряжений на кинетические ха рактеристики процесса импульсной поляризации твердых растворов на основе ЦТС. В настоящей работе исследованы динамические диэлектрические ха рак теристики в быстронарастающих сильных электрических полях, вплоть до пробивных, предварительно поляризованных образцов сегнетокерамики ПКР - 1. Исследования проведены как в поляризующем, так и в пере поляризующем электрических полях при скорости нарастания Е = 1,5кВ /(мм·мкс). По осциллограммам определялись зависимости от давления  при продольном сжатии динамического коэрцитивного поля ЕС, времени переключения tпер, тока переключения Iпер и электрической прочности ЕПР. Результат измерений представлен рис.1.2. Как и следовало ожидать, с увеличением механического давления интенсивность процесса переполяризации падает: уменьшается заряд переполяризации при одновременном росте коэрцитивного поля. Пос кольку временная продолжительность плато на кривой V (t) обусловлена доменными переориентациями, то ее сокращение отражает по существу ос лаб ление последних вследствие исключения из этих процессов части зажатых внешним давлением доменов.Полученные экспериментальные результаты можно попытаться объяснить следующим образом. При приложении к образцу механических напряжений параллельно оси поляризации часть доменов совершают необратимые переориентации относительно направления ориентации РГ. При этом в толще сегнетокерамики возникают сильные механические напряжения, образуются микротрещины, появляются дислокации, разного рода дефекты, которые тормозят переключение доменов при воздействии переполяризующего поля. Это приводит, с одной стороны, к снижению электр ической прочности, и с другой стороны, к увеличению сегнето жесткости материала, что подтверждается ростом ЕС и уменьшением tПЕР и IПЕР. Следует отметить, что полученные результаты подтверждают дис ло кационную модель сегнетожесткости (сегнетомягкости) поли крис тал ли ческих сегнетоэлектриков [6]. Согласно этой модели, сегнето жест кость объясняется взаимодействием сегнетоэлектрических доменных гра ниц с локальными электрическими полями дислокаций. Пред полагается, что чем сильнее локальное электрическое поле дислокации, тем больше ее эффективность как стопора для движущейся доменной стенки. Рост сег нето жесткости связывается с увеличением количества стопоров - дисло каций при деформации сегнетоэлектрика. Пред полагается, что чем сильнее локальное электрическое поле дислокации, тем больше ее эффективность как стопора для движущейся доменной стенки. Рост сег нето жесткости связывается с увеличением количества стопоров - дисло каций при деформации сегнетоэлектрика. Исходя из представлений о появлении в сегнетокерамике локаль ных упругих напряжений при переключениях отличных от 1800 - ных до менов в электрических полях, невозможно объяснить достаточно сильное влияние на ЕПР в поляризующем направлении. Во - первых, при сильных механических напряжениях резко уменьшается доля не 1800 - ных доменных переориентаций. Во - вторых, как было показано в [7], ве ро ятной причиной низких значений ЕПР в переполяризующем нап равлении является главным образом участие в пред - и пробойных явле ниях высвобождающихся экранирующих поляризацию зарядов, а не нарушение однородности структуры образца из - за 900 - ных перек лю чений. Отметим, что уменьшение разницы между значениями ЕПР в поля ризующем и переполяризующем направлениях является следствием частич ной деполяризации сегнетоэлектрических образцов за счет внешних напряжений. В [8] показано, что при одноосном сжатии в области механических давлений порядка 150 Мпа и более образцы сегнето керамики ПКР - 1 деполяризуются почти полностью. Рис.1.2. Зависимость тока переключения поляризации ПК ПКР - 1 ( 10  2 мм) от механических нап ря же ний при Е = 1, 5 кВ/ (мм·мкс). Исходя из представлений о появлении в сегнетокерамике локаль ных упругих напряжений при переключениях отличных от 1800 - ных до менов в электрических полях, невозможно объяснить достаточно сильное влияние на ЕПР в поляризующем направлении. Во - первых, при сильных механических напряжениях резко уменьшается доля не 1800 - ных доменных переориентаций. Во - вторых, как было показано в [6], ве ро ятной причиной низких значений ЕПР в переполяризующем нап равлении является главным образом участие в пред - и пробойных явле ниях высвобождающихся экранирующих поляризацию зарядов, а не нарушение однородности структуры образца из - за 900 - ных перек лю чений. Отметим, что уменьшение разницы между значениями ЕПР в поля ризующем и переполяризующем направлениях является следствием частич ной деполяризации сегнетоэлектрических образцов за счет внешних напряжений. В [8] показано, что при одноосном сжатии в области механических давлений порядка 150 Мпа и более образцы сегнето керамики ПКР - 1 деполяризуются почти полностью.Таким образом, с учетом вышеизложенного можно предположить, что наблюдаемые в импульсных электрических полях снижение ЕПР с ростом обусловлено преимущественно трещинообразованием в образ це вследствие перестройки доменной структуры под воздействием внешних механических давлений. Внешние механические напряжения оказывают сильное вли яние на характеристики переключения поляризации сегнето керамики в импульсных полях: коэрцитивное поле возрас тает, время и ток поляризации уменьшаются, снижается элект рическая прочность. Рост коэрцитивного поля ЕС при одноосном сжатии подт верж дает дислокационную модель сегнетожесткости сегнето керамики. Снижение электрической прочности ЕПР сегнетокерамики с ростом механических давлений обусловлено наруше ниями однородности структуры сегнетокерамики вследствие перестройки доменной структуры. Уменьшение заряда переполяризации одноосно сжатых образ цов сегнетокерамики вызвано исключением из процессов переключения части “зажатых” доменов.Список использованной литературы
|
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Абдрахманова Зульфия Даутовна, учитель начальных классов, классное руководство во 2,4 классах |  | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Хасанова Зульфия Алтынгужовна, учитель русского языка и литературы высшей категории |
| Роль информационно-коммуникационных технологий в развитии региона... Учебник. Фионова Л. А., Трунова Л. Б., Карпачева Т. В. Экология животных: Пособие для учащихся 7-го класса общеобразовательной школы... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Юсупова Зульфия Фирдинатовна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры современного русского языка и методики преподавания Казанского... |
