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PZT基铁电陶瓷材料疲劳特性研究

文宝华  
【摘要】:本文采用固相反应烧结法制备了实验所用PZT基铁电陶瓷材料;在300-433K的温度范围内研究了PZT基陶瓷的铁电滞后特性与温度的依赖性关系,通过测量其在交流电场中疲劳前后阻抗谱和电导率的变化,分析和讨论了铁电材料的近电极疲劳机制。针对上述的近电极疲劳机制,PZT陶瓷基体与Ag电极之间引入界面缓冲层LSM,来探讨它对PZT基铁电陶瓷介电特性、漏电流、铁电性能的影响,测试了LSM作用下疲劳前后的电滞回线和对比分析了剩余极化强度归一化随疲劳循环次数的实验结果,着重探讨了LSM缓冲层与抗疲劳性能的关系。主要工作如下: 1、随着温度的升高,剩余极化强度、饱和极化强度以及矫顽场强在低电场区域逐渐增大,而在高电场区呈现下降趋势,这可以用极化反转和反向反转的竞争机制来解释。通过计算不同温度和电场下电滞回线包围面积发现,电滞回线面积的对数和测试电场的对数之间的关系可以分成三个阶段,分别对应着空间电荷极化、畴的极化反转成核以及畴的进一步长大过程,反向反转特性的温度依赖性关系可以用阿伦尼乌斯定律进行描述。并且,拟合结果表明畴反转的激活能随着测试电场强度的增大衰减到0.042eV,这源于电场的增大提供了增强的驱动力,使得畴成核和反转更容易进行。 2、分别对疲劳前后晶界部分和近电极区域的电导率进行拟合发现,经3×10~6疲劳循环次数之后,晶界区域的直流电导率下降了89.6%,而近电极区域的直流电导率下降了93.3%,表明铁电陶瓷的疲劳主要发生在近电极区域,由此获得了可以通过改善电极界面特性来提高材料的抗疲劳性能的重要结果。 3、在中低频率范围内,加入LSM缓冲层的PZT基陶瓷材料的介电常数和介电损耗的频率依赖性明显减弱,当样品经1.4×10~7次循环之后, Ag||PZT||Ag的剩余极化强度损失了85%,而Ag||LSM/PZT/LSM||Ag只损失了55%,表明材料的漏电流密度降低,极化强度增加,这是由于LSM缓冲层可以补偿堆积在近电极界面区域的电荷,意味着LSM缓冲层的加入可使材料具有更好的抗疲劳性能;采用疲劳模型对疲劳后极化强度的归一化结果与疲劳循环次数之间进行拟合,得到了Ag||LSM/PZT/LSM||Ag和Ag||PZT||Ag氧空位的特征延迟时间分别为4.8×10~(4)s和3.4×10~(4)s,说明Ag||LSM/PZT/LSM||Ag内部氧空位的迁移率低于Ag||PZT||Ag,进一步解释了LSM的加入能阻止氧空位向近电极区域的迁移,从而起到提高材料抗疲劳性能的作用。


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