ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНАТА-ТИТАНАТА СВИНЦА С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ТИТАНА

  • Л. А. Дыкина Южный федеральный университет
  • A.A. Панич Южный федеральный университет
  • А. В. Скрылев Южный федеральный университет
  • Ю. А. Проскорякова Ростовский государственный университет путей сообщения
Ключевые слова: Пьезогенератор, остаточная поляризация, пьезомодуль, электрический заряд, ЦТС

Аннотация

Данная статья посвящена твердым растворам на основе ЦТС как основы активных
элементов для разовых импульсных источников энергии. В статье оценена генерирующая
способность пьезокерамического материала на основе цирконата-титаната свинца с низ-
ким содержанием титана (Zr/Ti 0,94/0,06 + 1 % Nb2O5) при его ударном нагружении.
В таких материалах фазовый переход, индуцированный давлением (одноосным, импульс-
ным гидростатическим или ударной волной), происходит из полярной сегнетоэлектриче-
ской фазы в неполярную антисегнетоэлектрическую. Высвобождаемая энергия в этом
случае на порядок выше, чем при пьезоэффекте. Мерой накопления электрического заряда
является значение остаточной поляризации, пропорциональное электрической энергии,
высвобождаемой при фазовом переходе. В ходе работы получены основные электрофизи-
ческие параметры исследуемого материала: относительная диэлектрическая проницае-
мость, тангенс угла диэлектрических потерь в слабых полях, пьезомодуль . Получен ряд
численных значений остаточной поляризации исследуемого материала несколькими мето-
дами: термической деполяризаций и ударным нагружением; рассчитана плотность накоп-
ленной энергии как отношение остаточной поляризации к двум абсолютным диэлектриче-
ским проницаемостям. Проведены оценка генерирующей способности исследуемого мате-
риала и сравнительный анализ с промышленно выпускаемым пьезокерамическим материа-
лом ЦТС-19. Установлено, что плотность накопленной энергии у исследуемого материала
на два порядка выше, чем у ЦТС-19. Также стоит отметить, что индуцированный давле-
нием фазовый переход из сегнетоэлектрической в антисегнетоэлектрическую фазу для
материалов с низким содержанием титана происходит при значительно меньших давле-
ниях, чем в материалах, находящихся вблизи морфотропной границы. Такое поведение обу-
словлено тем, что энергии состояний сегнетоэлектрической и антисегнетоэлектрической
фаз отличаются незначительно, поэтому достаточно относительно небольшого внешнего
воздействия (давления или электрического поля), чтобы нарушить существующую ста-
бильность и перевести пьезокерамику из одного фазового состояния в другое. Этот факт
оказывает положительное влияние на генерирующую способность элементов, изготовлен-
ных из исследуемого материала, так как при воздействии высокого давления происходит
сильное снижение электрического сопротивления пьезокерамики, и значительная часть
электрической энергии может рассеиваться в самом пьезоэлементе.

Литература

1. Shkuratov S.I., Talantsev E.F., Menon L., Temkin H., Baird J., Altgilbers L.L. Compact high-voltage
generator of primary power based on shock wave depolarization of lead zirconate titanate piezoelectric
ceramics, Review of Scientific Instruments, 2004, Vol. 75 (8), pp. 2766-2769.
2. Layns M., Glass A. Segnetoelektriki i rodstvennye im materialy [Ferroelectrics and related
materials]. Moscow: Mir, 1981, 736 p.
3. Bauer F., Vollrath K. Behaviour of non-linear ferroelectric ceramics under shock waves, Ferroelectrics,
1976, Vol. 12, pp. 153-156,
4. Lysne P.C., Percival C.M. Electric energy generation by shock compression of ferroelectric ceramics:
Normalmode response of PZT 95/5, J. Appl. Phys., 1975, Vol. 46, No. 4, pp. 1519-1525.
5. Bauer F., Vollrath K., Fetiveay Y., and Eyraud L. Ferroelectric ceramics: Application to mechanical-
electrical energy conversion under shock compression, Ferroelectrics, 1976,Vol. 10,
No. 1, pp. 61-64.
6. Shkuratov S.I. Baird J. Antipov V.G. Talantsev E.F. Lynch C.S. Altgilbers L.L. PZT 52/48
depolarization: Quasi-static thermal heating versus longitudinal explosive shock, IEEE Transactions
on Plasma Science, 2010, Vol. 38 (8), pp. 1856-1863.
7. Linde R.K. Depolarization of ferroelectrics at high strain rates, Journal of Applied Physics,
1967, Vol. 38 (12), pp. 4839-4842.
8. Lysne P.C. Resistivity of shock-wave-compressed PZT 95/5, Journal of Applied Physics,
1977, Vol. 48 (11), pp. 4565-4568.
9. Shkuratov S.I., Baird J., Talantsev E.F. The depolarization of Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 ferroelectrics
by cylindrical radially expanding shock waves and its utilization for miniature pulsed
power, Review of Scientific Instruments, 2011, Vol. 82 (5).
10. Avdeev M., Jorgensen J.D., Short S., Samara G.A., Venturini E.L., Yang P., Morosin B. Pressure-
induced ferroelectric to antiferroelectric phase transition in Pb0.99 (Zr0.95 Ti0.05) 0.08
Nb0.2 O3, Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 2006, Vol. 73 (6).
11. Jiang Y., Wang X., Zhang F., He H. Breakdown and critical field evaluation for porous PZT
95/5 ferroelectric ceramics under shock wave compression, Smart Materials and Structures,
2006, Vol. 23 (8).
12. Setchell R., Montgomery S., Chhabildas C. The effects of shock stress and field strength on
shock-induced depoling of normally poled PZT 95/5, AIP Conf. Proc., 2000, Vol. 505, pp. 979.
13. Cheret R., Andriot P., Chapron P., Le Drean C., Lezaud J.M., Loichot R., Martineau J., and
Olive F. Shock-wave experiments using explosives and light-gas gun facilities, AIP Conf.
Proc., 1982, Vol. 78, pp. 626.
14. Doran D.G. Shock-wave compression of barium titanate and 95/5 lead zirconate titanate,
Journal of Applied Physics, 1968, Vol. 39 (1), pp. 40-47.
15. Lysne P.C., Percival C.M. Electric energy generation by shock compression of ferroelectric
ceramics: Normal-mode response of PZT 95/5, Journal of Applied Physics, 1975, Vol. 46 (4),
pp. 1519-1525.
16. Cho K.H., Seo C.E., Choi Y.S., Ko Y.H., Kim K.J. Effect of pressure on electric generation of
PZT(30/70) and PZT(52/48) ceramics near phase transition pressure, Journal of the European
Ceramic Society, 2012, Vol. 32 (2), pp. 457-463.
17. Fetiveauj Y., Eyraudi L. Ferroelectric Ceramics: Application to Mechanical Electrical Energy
Conversion Under Shock Compression, Ferroelectrics, 1976, Vol. 10 (1), pp. 61-64.
18. Lysne P.C. Shock-induced polarization of a ferroelectric ceramic, Journal of Applied Physics,
1977, Vol. 48 (3), pp. 1024-1031.
19. Setchell R.E., Montgomery S.T., Cox D.E., Anderson M.U. Initial temperature effects on the
dielectric properties of PZT 95/5 during shock compression, AIP Conference Proceedings,
2007, Vol. 955, pp. 193-196.
20. Bragunets V.A., Simakov V.G., Borisenok V.A., Borisenok S.V., Kruchinin V.A. Shock-induced
electrical conductivity in some ferroelectrics, Combustion, Explosion and Shock Waves, 2010,
Vol. 46 (2), pp. 231-236.
Опубликован
2021-02-13
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ IV. ЭЛЕКТРОНИКА, НАНОТЕХНОЛОГИИ И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ