蔣招繡 王永剛聶恒昌 劉雨生

1)(寧波大學,沖擊與安全工程教育部重點實驗室,寧波 315211)

2)(中國科學院上海硅酸鹽研究所,上海 200050)

3)(中國工程物理研究院流體物理研究所,綿陽 621900)

極化狀態(tài)與方向?qū)屋S壓縮下Pb(Zr0.95Ti0.05)O3鐵電陶瓷疇變與相變行為的影響?

蔣招繡1)王永剛1)?聶恒昌2)劉雨生3)

1)(寧波大學,沖擊與安全工程教育部重點實驗室,寧波 315211)

2)(中國科學院上海硅酸鹽研究所,上海 200050)

3)(中國工程物理研究院流體物理研究所,綿陽 621900)

(2016年7月20日收到;2016年10月27日收到修改稿)

利用數(shù)字圖像相關(guān)性分析方法發(fā)展了全場應變光學測量技術(shù),并原位實時測量了準靜態(tài)單軸壓縮下鐵電PZT95/5陶瓷試件的軸向應變和橫向應變.基于軸向應變、橫向應變隨著軸向應力的變化關(guān)系,討論了極化狀態(tài)和極化方向?qū)ZT95/5鐵電陶瓷的疇變與相變行為的影響.實驗結(jié)果顯示：單軸壓縮下,未極化和Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷都會發(fā)生疇變,而Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷則不發(fā)生疇變;疇變促使Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷的軸向應變和橫向應變同時快速地增長,而對未極化PZT95/5鐵電陶瓷的應變增長的影響非常微弱,這種差異性歸因于電疇極軸不同的取向分布特征;通過應變分解分析,驗證了疇變與相變過程是解耦的,并界定了疇變應變和相變應變的影響范圍;與Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷相比,未極化PZT95/5鐵電陶瓷的相變開始臨界應力和相變結(jié)束應力減小,而Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷則明顯增大,由此推論疇變對相變有一定促進作用.基于放電特性的實測結(jié)果,還討論了極化方向?qū)O化PZT95/5鐵電陶瓷去極化機理的影響.實驗結(jié)果顯示：Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷去極化機理是疇變和相變的共同作用,其中疇變占主導地位,而Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷的去極化機理僅是相變.

PZT95/5鐵電陶瓷,疇變,相變,極化狀態(tài)與方向

1 引 言

具有優(yōu)良的力電耦合性能和較高的居里溫度的PZT鐵電陶瓷在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應用[1,2],但PZT鐵電陶瓷的脆性特征常常導致PZT鐵電陶瓷器件在力、電載荷單獨作用或協(xié)同作用下喪失功能,甚至遭到破壞.為了PZT鐵電陶瓷材料制備的器件功能特性穩(wěn)定,人們不僅需要認識PZT鐵電陶瓷電學特征,還需關(guān)注其力學行為[3,4].

電疇翻轉(zhuǎn)是PZT鐵電陶瓷宏觀非線性行為的細觀物理機理.近年來,一些先進的原位微細觀分析技術(shù)越來越多應用于研究力場作用下PZT鐵電陶瓷的電疇翻轉(zhuǎn)特性及其對宏觀力學響應的影響.Li等[4]采用原位中子衍射技術(shù)研究了單軸壓縮下兩種多晶PZT(40/60和49/51)電疇翻轉(zhuǎn)行為,揭示了晶格對稱性與電疇翻轉(zhuǎn)能力之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)等軸晶粒(無論是四方晶系還是菱方晶系)不能發(fā)生電疇翻轉(zhuǎn).Jones等[5]也采用原位中子衍射技術(shù)觀測了 PZT52/48鐵電陶瓷在應力場作用下疇變行為,并計算了疇變應變.Okayasu等[6]采用X射線衍射(XRD)和電子背散射衍射(EBSD)觀察技術(shù)研究了電疇翻轉(zhuǎn)、電疇方向?qū)O化和未極化PZT陶瓷力學性能和斷裂行為的影響,發(fā)現(xiàn)極化PZT陶瓷由于疇變而導致其力學性能得到明顯改善.然而,對于處于鐵電(FE)-反鐵電(AFE)相界附近的PZT95/5鐵電陶瓷而言,其非線性力學行為更為復雜,不僅僅取決于疇變,還與FE-AFE相變密切相關(guān).人們對PZT95/5鐵電陶瓷在靜水壓或沖擊波壓縮下鐵電相到反鐵電相的相變行為和去極化行為已開展比較多研究工作[7-9].還有些學者關(guān)注孔隙率對PZT95/5鐵電陶瓷去極化、沖擊壓縮行為以及疇變和相變行為的影響[10-12].本文將關(guān)注極化狀態(tài)和方向?qū)ZT95/5鐵電陶瓷在單軸壓縮下的疇變和相變行為的影響,這方面的研究工作甚少.

首先,采用粉末燒結(jié)方法制備了不同極化狀態(tài)和極化方向的PZT95/5鐵電陶瓷樣品.隨后,采用基于數(shù)字圖像相關(guān)性分析方法(digital image correlation,DIC)的全場應變原位測量技術(shù),對PZT95/5鐵電陶瓷樣品開展準靜態(tài)單軸壓縮實驗研究.采用并聯(lián)電容的方式監(jiān)測PZT95/5鐵電陶瓷樣品去極化放電行為.最后,基于應變和放電量的實測數(shù)據(jù),討論極化狀態(tài)及極化方向?qū)ZT95/5鐵電陶瓷的疇變、相變及去極化行為的影響.

2 實 驗

2.1 樣品制備

委托中國科學院上海硅酸鹽研究所制備了PZT95/5鐵電陶瓷.簡約的制備工藝如下：用球磨法對PZT95/5粉末球磨6 h,球磨后漿料在100°C溫度下干燥24 h,再添加粉料總重量6%的PVA液體作為黏接劑,并混合均勻,再將混合后的粉末過篩,壓制成型.升溫排塑,將排塑好的素坯放入三重倒置的氧化鋁坩堝在富PbO環(huán)境下燒結(jié)2 h,燒結(jié)溫度控制在1300°C.燒結(jié)完成的PZT95/5鐵電陶瓷經(jīng)機械精密加工成6 mm×6 mm×12 mm長方體實驗樣品.選取部分樣品分別在上下底面上鍍銀電極和前后表面上鍍銀電極,然后在120°C的硅油浴中極化,極化時間為10 min,極化電場為3000 V/mm,分別得到Z軸極化和Y軸極化的鐵電陶瓷樣品.圖1給出了典型的未極化PZT95/5鐵電陶瓷樣品的XRD圖譜和SEM形貌照片.XRD圖譜顯示了PZT95/5鐵電陶瓷具有單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),而從SEM形貌照片上可統(tǒng)計出PZT95/5鐵電陶瓷的平均晶粒尺寸約12μm.

圖1 未極化PZT95/5鐵電陶瓷樣品的XRD圖譜和SEM形貌照片F(xiàn)ig.1. XRD pattern and SEM graph of unpoled PZT95/5 ferroelectric ceramic

2.2 實驗方法

在MTS810液壓萬能試驗機上,基于數(shù)字圖像相關(guān)性分析方法,搭建了非接觸式的試樣表面原位全場應變光學測量系統(tǒng),該系統(tǒng)硬件主要由兩臺高速數(shù)字相機(Photron Fastcam SA1.1)和NI同步數(shù)據(jù)采集儀(最高采樣速率250 kHz)組成,實驗裝置示意圖見圖2.數(shù)字圖像相關(guān)性分析方法的基本原理：首先獲取試樣表面散斑圖像,散斑圖像上的所有特征點以像素點為坐標,以像素灰度作為信息載體;然后,在試樣表面上劃分出若干個圖像子區(qū),類似于有限元計算中劃分網(wǎng)格,在圖像移動或變形過程中,基于圖像子區(qū)灰度值不變的假定,追蹤每個圖像子區(qū)在變形后圖像的位置,即可獲得所有的圖像子區(qū)中心點處的位移矢量,從而獲得物體表面的變形信息.有關(guān)數(shù)字圖像相關(guān)性分析方法中灰度計算的相關(guān)算法的詳細介紹及其測量精度討論請參考文獻[12,13].陶瓷試樣變形位移非常小,位移控制加載模式較難實施,因此本實驗中采用力控制加載模式,加載速率為10 kN/min.在低加載速率條件下,相機不需要很高的拍攝幀頻,實驗中采用60幀/s進行拍攝,室內(nèi)自然光即可滿足拍攝光強要求.實驗前,在樣品兩個側(cè)表面(A面和B面)上人工噴涂啞光黑漆和啞光白漆來制作高質(zhì)量的散斑.實驗中,通過兩臺高速數(shù)字相機實時拍攝壓縮過程中試樣表面的散斑圖像.實驗結(jié)束后,再通過數(shù)字圖像相關(guān)性分析軟件(美國CSI公司VIC2D)對試樣表面的散斑圖像進行分析,精確獲取試樣A和B兩個側(cè)面上全場應變時程.實驗過程中,還通過NI同步數(shù)據(jù)采集儀(采樣速率與相機拍攝幀頻相同)記錄萬能試驗機上測力傳感器輸出的加載力時程.由加載力時程來計算試樣的應力時程,通過數(shù)字圖像相關(guān)性分析來獲取試樣的應變時程.在同步數(shù)據(jù)采集條件下,消除掉時間,即可獲得試樣的應力應變曲線.另外,為了監(jiān)測極化PZT95/5鐵電陶瓷放電行為,首先在樣品表面銀箔電極之間并聯(lián)一個電容器,然后,通過NI同步數(shù)據(jù)采集儀實時記錄壓縮加載過程中電容器兩端的電壓,記錄的電壓信號乘以電容器的電容,即得到PZT95/5鐵電陶瓷的放電量Q.若采用并聯(lián)電阻方式測電量,需要首先計算電流,然后對電流進行時間積分處理,在積分處理過程中會產(chǎn)生較大誤差,影響測量精度.最后,還需要說明的是,對于Z軸極化的樣品,加載方向與極化方向平行,而對于Y軸極化的樣品,加載方向與極化方向垂直.

圖2 耦合DIC全場應變測量系統(tǒng)的單軸壓縮實驗裝置示意圖Fig.2.The schematic graph of the experimental setup for uniaxial compression testing with DIC full field strain measurement system.

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 極化狀態(tài)的影響

圖3給出了單軸壓縮下未極化和Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷軸向應變和橫向應變隨著軸向應力變化關(guān)系 (注：以壓縮應變?yōu)檎?,圖中顯示：1)在加載初期(B和F點之前),極化和Z軸未極化PZT95/5鐵電陶瓷的軸向應變和橫向應變隨著軸向應力呈線性增長關(guān)系(參見圖中AB段和EF段),并且兩者重復性很好,這表明極化狀態(tài)對PZT95/5鐵電陶瓷線彈性力學響應基本沒有影響;2)在加載中期(B和F點之后),未極化和Z軸極化的PZT95/5鐵電陶瓷都呈現(xiàn)出明顯的非線性力學響應特征,特別是橫向應變曲線上還出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點;3)在加載后期,PZT95/5鐵電陶瓷軸向應變軸向應力之間再次進入線性增長關(guān)系.由此看來,單軸壓縮下PZT95/5鐵電陶瓷非線性力學響應明顯依賴于極化狀態(tài),主要表現(xiàn)在加載中期階段,其內(nèi)在的物理機理值得詳細討論.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)未極化和Z軸極化PZT95/5軸向和橫向應變隨軸向應力變化曲線Fig.3.(color online)The curve of axial and transverse strain versus axial stress for unpoled PZT95/5 andZ-axis poled PZT95/5.

一般認為,電疇翻轉(zhuǎn)(簡稱疇變)是PZT鐵電陶瓷宏觀非線性力學響應的微觀機理.圖3中顯示：在B點和F點之后,未極化和Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷軸向應變和橫向應變隨著軸向應力的增長開始偏離初始線彈性響應,進入非線性增長階段,這主要是因為疇變引起了疇變應變;B點和F點所對應的應力(約70 MPa)可定義為疇變開始臨界應力.圖3還清晰地顯示疇變促使Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷軸向和橫向應變快速增長,而對未極化PZT95/5鐵電陶瓷的軸向和橫向應變的影響是比較微弱的.這種差異性的微觀物理機理可以從內(nèi)部電疇極軸取向特性來進行討論.未極化PZT95/5鐵電陶瓷內(nèi)部電疇極軸取向基本上是隨機分布的,而Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷內(nèi)部絕大多數(shù)電疇極軸取向是平行于極化方向的.我們認為,無論是隨機分布還是取向一致,電疇在壓縮應力(Z軸方向)作用下都會趨向于XY平面內(nèi)發(fā)生90°翻轉(zhuǎn)[14],圖4(a)和圖4(b)給出了電疇翻轉(zhuǎn)的示意圖[15].電疇翻轉(zhuǎn)引起疇變應變主要取決于電疇極軸取向密度分布[5].電疇極軸取向完全隨機時,電疇翻轉(zhuǎn)時所引起疇變應變在各個方向會發(fā)生相互抵消現(xiàn)象,疇變應變的宏觀表現(xiàn)非常微弱;而當電疇極軸取向一致時(沿著極化方向),所有電疇的疇變應變疊加在一起,疇變應變的宏觀表現(xiàn)則會比較強烈,促進了軸向應變和橫向應變快速地增長.

圖4 單軸加載下PZT95/5鐵電陶瓷的疇變與相變示意圖(a)未極化PZT95/5鐵電陶瓷;(b)Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷;(c)Y-軸極化PZT95/5鐵電陶瓷Fig.4.Schematic of domain switching and phase transformation of PZT95/5 ferroelectric ceramics under uniaxial compression：(a)Unpoled PZT95/5;(b)Z-axial poled PZT95/5;(c)Y-axial poled PZT95/5.

隨著加載應力進一步增大,圖3顯示：未極化和Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷的軸向應變一直保持增長,而橫向應變在G點和H點附近出現(xiàn)了反轉(zhuǎn),即從橫向膨脹轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向收縮,這個異常現(xiàn)象顯然不能夠用電疇翻轉(zhuǎn)來解釋[12].在應力場作用下,處于FE-AFE相界附近的PZT95/5鐵電陶瓷不僅會發(fā)生疇變,而且會發(fā)生相變,即從菱方晶系FE相轉(zhuǎn)變正交斜方晶系A(chǔ)FE相.相變會引起體積收縮,從而導致軸向壓縮下試樣橫向收縮這一異常的“負泊松比”現(xiàn)象.由此看來,PZT95/5鐵電陶瓷的非線性力學響應特征是由疇變和相變共同作用引起的.如何界定疇變和相變的影響范圍值得進一步探討.圖3給出軸向應變εZ和橫向應變εY是宏觀總應變,可以分解為晶格應變εLs、疇變應變εds和相變應變εPt.以Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷為例,探討如何合理界定疇變和相變的影響范圍.首先,忽略材料內(nèi)部缺陷的影響,彈性晶格應變增長率保持不變,把初始彈性響應外推到整個變形過程中(這里假定FE相和AFE相的彈性響應是相同的,事實上FE相和AFE相的彈性響應存在微弱的差異);然后,把總應變減去晶格應變,即得疇變應變和相變應變之和,如圖5所示.疇變僅是電疇極軸方向發(fā)生改變,會引起晶格形狀發(fā)生變化,沿初始極化方向收縮,沿新的極化方向伸長,但不會引起體積變形[14],因此疇變應變滿足下列關(guān)系：

試樣橫向變形是各向同性的,即εdsY=εdsX,代入(1)式得到

式中εdsZ,εdsY,εdsX分布表示Z(軸向),Y(橫向),X(橫向)方向的疇變應變.圖5給出了橫向總應變減去橫向晶格應變翻倍再正負反向之后與軸向總應變減去軸向晶格應變的對比,結(jié)果顯示：1)A點之前,兩者的重復性非常好,滿足(2)式要求,由此判斷PZT95/5鐵電陶瓷處于疇變階段;而在A點之后,則出現(xiàn)了反向?qū)ΨQ分離,這又恰好滿足相變應變特征;這表明A點是疇變應變和相變應變分界點,由此推論,疇變和相變是解耦的,即疇變結(jié)束后相變才開始;2)A點對應的應力(約195 MPa)可定義為PZT95/5鐵電陶瓷相變開始的臨界應力,同時也是疇變結(jié)束應力,A點之前應變?yōu)楫犠儜?由此得到PZT95/5鐵電陶瓷疇變應變約為0.24%;3)C點之后,相變應變隨著軸向應力保持不變,則說明FE-AFE相變結(jié)束,C點對應應力(約280 MPa)即為相變結(jié)束應力,從A點到C點應變增量即為相變所貢獻的相變應變,約為0.28%.對于未極化PZT95/5鐵電陶瓷,由于疇變應變的表現(xiàn)非常微弱,因此軸向應變減去軸向晶格應變近似等于相變應變(約0.4%),如圖6所示,這里把相變應變迅速增大的A點所對應應力(約115 MPa)定義為相變開始臨界應力,B點對應應力(約230 MPa)即為相變結(jié)束應力.與未極化PZT95/5鐵電陶瓷相比,Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷的相變開始臨界應力和相變結(jié)束應力明顯增大.下面我們再從能量消耗角度來考慮相變過程.對于Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷,相變消耗的能量密度為圖5給出的應變應力曲線從A點到C點下方所包圍的陰影面積,通過積分計算得到0.32 MPa.同樣,未極化PZT95/5鐵電陶瓷相變消耗的能量密度為圖6給出的應變應力曲線從A點到B點下方所包圍的陰影面積,通過積分計算得到0.31 MPa.兩者非常接近,由此看來：無論Z軸極化還未極化,PZT95/5鐵電陶瓷從FE-AFE相變過程中所消耗的能量密度是近似相同的,這將為后續(xù)相變過程物理模型的構(gòu)建工作提供非常重要的實驗信息.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷宏觀總應變分解關(guān)系Fig.5.(color online)Contributions to the total strains from lattice strain,domain switching strain and phase transformation strain inZ-axis poled PZT95/5.

圖6 未極化PZT95/5鐵電陶瓷宏觀總應變分解關(guān)系Fig.6.Contributions to the total strains from lattice strain and phase transformation strain in unpoled PZT95/5.

3.2 極化方向的影響

Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷的極化方向與加載方向平行,而Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷極化方向與加載方向垂直.圖7為Y軸和Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷的軸向應變、橫向應變隨著軸向應力變化的對比曲線.在加載初期,Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷的軸向應變和橫向應變隨著軸向應力線性增長關(guān)系與Z軸極化的結(jié)果完全一致(參見圖7中AB段和EF段),這說明極化方向?qū)ZT95/5鐵電陶瓷初始線彈性力學響應沒有影響.隨著應力增大,極化方向的影響開始清晰地顯現(xiàn).與Z軸極化的結(jié)果不同,Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷應變一直保持初始的線性增長趨勢,沒有觀察到疇變引起應變突然快速增長現(xiàn)象,這是因為：Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷內(nèi)部電疇極軸方向與加載方向垂直,在壓縮應力作用下不會發(fā)生電疇90°翻轉(zhuǎn),如圖4(c)所示.在C和G點之前,Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷一直處于FE相的線彈性力學響應階段.在C和G點之后,軸向應變增長加速,同時橫向應變開始出現(xiàn)反轉(zhuǎn),這一現(xiàn)象清晰地表明此時相變開始,因此C和G點所對應的軸向應力(約285 MPa)即為Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷的相變開始臨界應力.與Z軸極化方向相比,Y軸極化的PZT95/5鐵電陶瓷相變開始臨界應力增大了約46%.Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷在相變之前沒有發(fā)生疇變,所有電疇取向都沿著Y軸方向,晶格處于穩(wěn)定狀態(tài).Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷在發(fā)生相變之前經(jīng)歷了疇變,疇變過程導致晶格結(jié)構(gòu)處于一種亞穩(wěn)定狀態(tài),疇變對相變起到了一定促進作用.在加載后期,Y軸極化PZT95應變增長速率減小,這標志著FE-AFE相變已完成,K點對應的應力可定義為相變結(jié)束應力(約395 MPa).

圖7 (網(wǎng)刊彩色)不同極化方向的PZT95/5鐵電陶瓷軸向和橫向應變隨著軸向應力變化關(guān)系Fig.7.(color online)The curve of axial and transverse strain versus axial stress forZaxial poled PZT95/5 andYaxial poled PZT95/5.

極化方向不僅影響PZT95/5鐵電陶瓷的力學響應,也影響其電學響應.圖8給出了Z軸極化和Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷的放電量隨著軸向應力的變化關(guān)系曲線.對于Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷,圖中顯示：1)初始0-70 MPa應力范圍內(nèi),放電量隨著軸向應力增大緩慢釋放,放電的物理機理是PZT95/5鐵電陶瓷的壓電效應;2)當應力超過70 MPa,放電量隨著軸向應力的增長迅速增大,此時放電的物理機理發(fā)生了改變,從壓電機理轉(zhuǎn)變?yōu)槿O化機理;3)去極化放電起始應力70 MPa恰好對應于疇變開始臨界應力,明顯低于相變開始臨界應力(195 MPa);4)當應力達到相變開始臨界應力時,電量已釋放了4/5,由此說明,Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷去極化放電機理是疇變和相變的共同作用,其中疇變占主導地位.與Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷相比,Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷在0-285 MPa應力范圍內(nèi)沒有觀察到明顯的放電行為,這是因為Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷樣品的壓縮加載應力方向與電疇極化方向垂直,抑制了電疇翻轉(zhuǎn),從而阻止其出現(xiàn)壓電效應和疇變.當應力超過285 MPa后,隨著應力增大放電量迅速增大,在大約400 MPa時電量釋放達到飽和,而285 MPa恰好為Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷相變開始臨界應力,由此推斷Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷放電的物理機理是相變?nèi)O化.

圖8 不同極化方向的PZT95/5鐵電陶瓷放電量隨著軸向應力變化曲線Fig.8.Influence of poling directions on the polarization released behaviors of PZT95/5.

4 結(jié) 論

本文研究了準靜態(tài)單軸壓縮下極化狀態(tài)和極化方向?qū)ZT95/5鐵電陶瓷的疇變和相變行為的影響.PZT95/5鐵電陶瓷的疇變行為明顯依賴于極化狀態(tài).在壓縮應力作用下,Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷產(chǎn)生明顯的疇變應變;未極化PZT95/5鐵電陶瓷發(fā)生了疇變,但沒有觀察到明顯的疇變應變;Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷不發(fā)生疇變;把宏觀應變分解為晶格應變、疇變應變和相變應變,再利用疇變應變和相變應變的特征求證了疇變與相變是相互解耦的,界定了疇變應變和相變應變的影響范圍,同時合理定義了相變開始臨界應力以及相變結(jié)束應力.極化狀態(tài)和極化方向?qū)ZT95/5鐵電陶瓷的相變行為也有顯著的影響.未極化PZT95/5鐵電陶瓷的相變開始臨界應力和相變結(jié)束應力最小,Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷次之,Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷最大,由此可推論出疇變對相變有一定的促進作用.極化方向?qū)ZT95/5鐵電陶瓷的電荷飽和釋放量沒有影響,但是電荷釋放機理卻是不同的,Z軸極化PZT95/5鐵電陶瓷去極化的物理機理是疇變和相變的共同作用,其中疇變占主導地位,而Y軸極化PZT95/5鐵電陶瓷去極化物理機理僅僅是相變.

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PACS:46.80.+j,77.80.B-,77.80.-e DOI:10.7498/aps.66.024601

Effects of poling state and direction on domain switching and phase transformation of Pb(Zr0.95Ti0.05)O3ferroelectric ceramics under uniaxial compression?

Jiang Zhao-Xiu1)Wang Yong-Gang1)?Nie Heng-Chang2)Liu Yu-Sheng3)
1)(Key Laboratory of Impact and Safety Engineering,Ministry of Education of China,Ningbo University,Ningbo 315211,China)
2)(Shanghai Institute of Ceramics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)
3)(Institute of Fluid Physics,China Academy of Engineering Physics,Mianyan 621900,China)

20 July 2016;revised manuscript

27 October 2016)

The digital image correlation technique is used for full field measurements of axial strain and transverse strain of PZT95/5 ferroelectric ceramics under uniaxial compression.Based on the variations of the axial strain and transverse strain with axial stress,the effects of poling state and poling direction of PZT95/5 ferroelectric ceramics on the domain switching and phase transformation behaviors are explored.Domain switching occurs in unpoled andZ-axis poled PZT95/5 ferroelectric ceramics separately,while domain switching in theY-axis poled PZT95/5 ferroelectric ceramic is not observed.Domain switching strain in theZ-axis poled PZT95/5 ferroelectric ceramic has obvious influences on the developments of axial strain and transverse strain,but the influence of domain switching strain in the unpoled PZT95/5 ferroelectric ceramic is very weak,which can be attributed to the different random distribution characteristics of domain orientation.By the strain decomposition analysis,it is proved that the domain switching and the phase transition process can be decoupled,and domain switching strain and phase transformation strain can be distinguished successfully.Compared with theZ-axis poled PZT95/5 ferroelectric ceramic,the unpoled PZT95/5 ferroelectric ceramic has a small critical stress of phase transformation,while the critical stress of theY-axis poled PZT95/5 ferroelectric ceramics is big,which may be concluded that the domain switching behavior favors the phase transformation process.The polarization released behavior of PZT95/5 ferroelectric ceramic also depends on the poling direction.The depolarization mechanism ofZ-axis poled PZT95/5 ferroelectric ceramic is caused by both domain switching and phase transformation,and theY-axis poled PZT95/5 ferroelectric ceramic is caused by only phase transformation.

PZT95/5 ferroelectric ceramics,domain switching,phase transformation,poling state and direction

:46.80.+j,77.80.B-,77.80.-e

10.7498/aps.66.024601

?國家自然科學基金(批準號：11272164,11472142)、寧波大學王寬誠幸福基金和王寬誠教育基金資助的課題.

?通信作者.E-mail：wangyonggang@nbu.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11272164,11472142),the K.C.Wong Magna Foundation,and K.C.Wong Education Foundation of Ningbo University,China.

?Corresponding author.E-mail：wangyonggang@nbu.edu.cn