学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

高密度PZT95/5陶瓷的冲击相变及放电性能研究

作　者: 刘高旻
导　师: 谭华；贺红亮
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 凝聚态物理
关键词: PZT 95/5陶瓷 一维应变冲击加载 冲击相变 去极化电流 逆向碰撞 激光速度干涉测量技术
分类号: TQ174.13
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 120次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


利用PZT 95/5陶瓷在冲击波作用下发生铁电三角相（FR）→反铁电正交相（AO）的相变、瞬间去极化、释放陶瓷电极表面束缚的电荷,在微秒量级输出大电流的性能研制的新型脉冲能源,在美国、英国及俄罗斯等国家的高新技术上已得到了应用。研究PZT 95/5铁电陶瓷冲击相变及相变导致的放电性能,对拓展该材料在冲击波条件下的使用有重要价值。同时,由于该冲击相变发生在弹性区内,相变过程受材料本构关系影响较大,有关实验方法和诊断技术的研究报道较少、难度较大,因此PZT 95/5陶瓷的冲击相变研究对发展材料弹性区内冲击相变的实验研究方法、建立包含相变的本构模型有积极意义。本文以国产高密度（7.76 g/cm3）PZT 95/5陶瓷作为研究对象,在一级气体炮上开展了一维应变平面冲击波加载实验。通过研究冲击波传播过程中陶瓷的Hugoniot性能、高压声速及冲击去极化释放的电性能,提出了一种弹性区不可逆相变本构模型,深入分析了相变与冲击轴向应力、冲击释电的关系。本文的主要工作及创新点归纳如下:1.在逆向碰撞实验中,使用含熔石英窗口的激光速度干涉测量技术（VISAR）,精确测试了0.48-3.78 GPa压力范围内PZT 95/5陶瓷的轴向应力-粒子速度Hugoniot关系。与未极化陶瓷在弹性区的线性冲击轴向应力-粒子速度Hugoniot关系明显不同的是,弹性区内极化陶瓷的冲击轴向应力-粒子速度Hugoniot关系可以用三段式折线表示。综合Setchell（J Appl Phys,2003,94（1）573）对PZT 95/5陶瓷屈服起始应力和Avdeev（Phys Rev B,2006,73:064105）对PZT 95/5陶瓷FR→AO相变前后晶格参数变化的研究结果,得到了国产高密度PZT 95/5陶瓷在大约0.5-2.0 GPa应力范围发生了弹性区一级结构相变的结论。研究结果为建立弹性应力区内包含相变的材料的本构关系奠定了基础。2.利用上述逆向碰撞实验中得到的PZT 95/5陶瓷粒子速度剖面,计算了在弹性区内的纵波声速。结果表明,PZT 95/5陶瓷在弹性区内的纵波声速随冲击加载应力的增加而增大。纵波声速随冲击加载应力的变化的斜率因相变而发生拐折,也可以用三段折线描写。3.对国产高密度PZT 95/5陶瓷的相变引起的去极化过程和电流释放性能进行了研究。首先,通过比较冲击释放剩余极化强度Prs与陶瓷的初始剩余极化强度Pr,确定了该陶瓷材料相变起始应力为（0.30±0.15）GPa,相变完成应力为（1.90±0.15）GPa。实验结果表明:在陶瓷相变区内,冲击轴向应力幅值越大,电流幅值越大。其次,对于完全相变后的PZT 95/5陶瓷,研究了外电路负载对陶瓷电流输出性能的影响。通过等效电路的计算分析,并经实验验证表明:完全相变后的PZT 95/5陶瓷可等效为脉冲恒流源,释放的电流为恒定值;释放的电流受外电路的RLC负载参数影响:电感负载导致电流幅值增加,波形振荡;纯电阻负载的电流幅值稳定,电流响应时间随负载电阻的增加而增加。4.在高密度PZT 95/5陶瓷Hugoniot性能、声速、弹性模量的实验研究基础上,将唐志平等人提出的描写一维应力加载下弹性区不可逆相变本构模型拓展到本文研究的一维应变加载条件下,建立了PZT 95/5陶瓷FR→AO相变本构模型:式中,σA、εA分别表示相变起始点的冲击轴向应力和应变,σB、εB分别表示相变完成点的冲击轴向应力和应变。根据本文对国产高密度PZT 95/5陶瓷实验的研究结果,σA=0.23 GPa,εA=1.48×10-3,σB=1.94 GPa,εB=1.34×10-2。5.根据实验测量的PZT 95/5陶瓷在相变过程中释放的电荷,提出了用冲击相变过程中陶瓷的AO相的体积分数ξ来描述陶瓷的动态相变特性,AO相的体积分数ξ定义为陶瓷冲击释放的剩余极化强度Prs和陶瓷初始剩余极化强度Pr的比值。由于FR相和AO相的密度已知,相变过程中AO相的质量分数可以通过体积分数ξ确定。结合实验测得的PZT 95/5陶瓷的σ-u Hugoniot性能和电释放性能,描写国产高密度PZT 95/5陶瓷的AO相体积含量ξ随冲击轴向应力σ的变化的关系式如下:根据相变体积含量关系式,极化高密度PZT 95/5陶瓷的相变起始应力为0.23 GPa,相变结束应力为1.94 GPa。综上所述,本文发展了一种一维应变条件下研究弹性区相变材料的本构关系的实验研究方法,并确定了国产高密度PZT 95/5陶瓷的冲击相变动力学模型。本实验研究方法采用逆向碰撞实验技术和带窗VISAR测试技术,用于获取“样品/透明窗口界面”的粒子速度和冲击加载下的声速。本方法可用于其它材料的本构关系及低压相变研究。本研究获得的国产高密度PZT 95/5陶瓷的冲击动力学参数、冲击相变动力学特性,对于拓展该材料的应用,具有重要价值。

全文目录


摘要  3-6
Abstract  6-14
第一章 绪论  14-38
  1.1 PZT95/5陶瓷及其性能简介  14-20
  1.2 PZT95/5陶瓷冲击压缩性能的研究进展  20-31
  1.3 本文研究的内容  31-33
  参考文献  33-38
第二章 PZT95/5陶瓷的冲击相变研究方法  38-56
  2.1 冲击相变研究概况  38-41
  2.2 一级气体炮加载技术  41-42
  2.3 VISAR速度测试技术及基本原理  42-44
  2.4 铁电→反铁电相变实验测量原理  44-52
  2.5 小结  52-53
  参考文献  53-56
第三章 PZT95/5陶瓷在弹性区的冲击响应特性研究  56-74
  3.1 实验设计  56-62
  3.2 PZT95/5陶瓷在弹性区的Hugoniot实验测量及结果分析  62-69
  3.3 PZT95/5陶瓷声速测试结果与分析  69-72
  3.4 小结  72-73
  参考文献  73-74
第四章 PZT95/5陶瓷冲击电释放性能研究  74-91
  4.1 PZT95/5陶瓷的极化与电性能参数  74
  4.2 PZT95/5陶瓷在冲击压缩下电输出性能的实验测量  74-78
  4.3 PZT95/5陶瓷电释放性能理论分析  78-89
  4.4 小结  89-90
  参考文献  90-91
第五章 PZT95/5陶瓷冲击相变及放电的理论分析及数值模拟  91-111
  5.1 引言  91-92
  5.2 PZT95/5陶瓷一维应变冲击相变模型  92-100
  5.3 不同密度PZT95/5陶瓷冲击相变研究结果比较  100-102
  5.4 PZT95/5陶瓷粒子速度剖面数值模拟计算及结果分析  102-107
  5.5 小结  107-109
  参考文献  109-111
第六章 全文总结与展望  111-114
  6.1 全文总结  111-113
  6.2 研究展望  113-114
附录1 不同密度PZT95/5陶瓷力学参数比较分析  114-120
附录2 三段折线性冲击相变公式推导  120-124
致谢  124-125
攻读博士期间发表的论文  125

相似论文

  1. 基于极化去极化电流法的变压器油纸绝缘状态研究,TM855
  2. 金属铋的冲击相变与多相物态方程研究,O521.23
  3. 聚合物基非线性复合电介质极化和退极化特性的实验研究,TM215.92
  4. 冲击加载下PZT-95/5陶瓷FE→AFE相变压力实验研究,TQ174
  5. HR2及几种铁基合金的冲击相变与断裂现象研究,TG115.5
  6. LiTaO_3单晶的冲击相变研究,O521.23
  7. 炸药爆炸冲击合成氮化碳及其机理研究,TB383.1
  8. 喷射电沉积纳米晶镍的阴极极化行为及其微观组织结构,TG174.4
  9. 示波极谱仪设计,TL817
  10. 变压器绝缘老化与寿命评估,TM40
  11. 变压器绝缘老化检测试验与寿命评估方法研究,TM855
  12. 高压绝缘诊断的介电响应技术研究,TM407
  13. 三维全媒质体系的部分元等效电路法及其建模,TN702
  14. 几个介观量子点模型的输运性质,O471.1
  15. 磁性单分子输运性质研究及自旋器件设计,TM271
  16. 调制磁场下石墨烯中的电子输运,O469
  17. 光学超晶格多波长全固态激光器研究,TN248.1
  18. 外加垂直于平面磁场下的电流诱导纳米柱磁畴翻转特性研究,O441.3
  19. 碳化硅陶瓷研抛过程中电摩擦特性的研究,TQ174.13
  20. β-FeSi2和ZnO及其复合陶瓷材料的制备与热电性能,TQ174.13
  21. ZrB_2-SiC基超高温陶瓷材料热冲击失效行为的研究,TQ174.13

中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论 > 物理性能
© 2012 www.xueweilunwen.com