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电疲劳过程中PLZT铁电陶瓷畴变的原位观测及电疲劳机理研究

陈志武  
【摘要】: 电疲劳失效是阻碍铁电陶瓷材料应用于微驱动和微执行器件的主要原因。采用现场或原位技术观测电疲劳过程中电畴的变化对研究和探明这类材料的电疲劳机理具有重大的理论指导意义和实际应用价值。本工作通过建立原位XRD观测系统,对电疲劳过程中PLZT铁电陶瓷试样表面X射线衍射峰随疲劳次数的变化进行了原位观测。同时,利用SEM观察了疲劳前后试样的断口形貌,并系统地进行了电场特征和温度对PLZT试样电疲劳性能影响的实验观测。 实验结果表明,在高电场强度、低电场频率和在方波电场的作用下以及较低的温度下,铁电陶瓷材料剩余极化强度P_r(N)下降的速度变快。电疲劳过程中原位XRD观测结果表明,随着电疲劳次数N的增加,在每个循环结束后试样表面a畴不断增加,c畴不断减少;在外电场作用下该材料发生a→c畴的90°畴变的能力不断恶化。根据原位XRD实验观测结果,给出了c→a畴的90°畴变的近似估算公式,并结合宏观剩余极化强度随N增加而降低的实验观测,提出了疲劳过程中材料的剩余极化强度P_r(N)降低是由于a畴的增加和反铁电c~*畴增加导致不可翻转c畴增加共同造成的假设,并给出了不可翻转畴随N增加而变化的估算公式。根据原位XRD观测结果探讨了试样的畴变应变随N变化的规律,发现试样的畴变应变大小随N的增加而下降,其下降速度随N的增加而减小。结合XRD和SEM观测,提出了纯电疲劳作用下试样不会发生断裂的机理:电疲劳初始阶段,试样中的非协调高应变导致沿晶微裂纹,随着微裂纹的增加,使得试样沿外电场方向发生a→c畴的能力不断降低,从而导致畴变应变减小,当应变减小到一定程度时,将不足以在试样中引起新的微裂纹或使原有微裂纹继续伸长。


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