3D构筑周期性多孔PZT95/5铁电陶瓷的冲击响应行为与调控机制研究

Ferroelectric explosive pulsed powers (EPP) based on the shock-induced phase transition depolarization effect of PZT95/5 ferroelectric ceramics have been found important military applications in the area of pulsed power supplies. However, shock-compression-induced damage and fracture usually leads to functional failure. How to inhibit shock-compression-induced damage and fracture of PZT95/5 ferroelectric ceramics and thus to avoid or delay the failure is of technical and scientific significance. It is well known that ordered or periodic porous structure can enhance materials performance significantly. In this proposal, periodic porous structures (such as triangle, tetragonal, and hexagonal structure or in mixed structure) in porous PZT95/5 ferroelectric ceramics will be fabricated by 3D printing method. The effect of different periodic porous structures on the ferroelectric, pieozoelectric and mechanical properties et al. will be investigated. For engineering application sake, the effect of different periodic porous structures on the phase transition and shock compression response behaviors will be studied and the relationships between microstructures and physical responses will be studied. The mesoscopic deformation evolution behavior of PZT95/5 ferroelectric ceramics with different porous microstructures under high shock compression will be simulated. Based on our experimental and theoretical simulation results, the physical mechanism of how the periodic porous structures tune the properties by will be proposed. The forthcoming results of this proposal will help realizing the optimization of shock compressibility and electrical breakdown strength under shock wave compression of porous PZT95/5 ferroelectric ceramics in the pulsed power supply applications.

铁电陶瓷冲击波诱导的相变效应在高功率脉冲电源等高新技术领域具有重要应用，但冲击破坏会造成其功能失效。如何有效地利用显微结构调控抑制铁电陶瓷的冲击破坏，减弱或延迟冲击诱导的功能失效是亟需解决的基础科学问题。本项目拟以多孔PZT95/5铁电陶瓷为研究对象，通过3D打印方法实现不同周期性微孔结构（三角形、四方形、六边形分布或不同分布的组合）的构筑，研究不同周期性微孔结构对多孔PZT95/5铁电陶瓷铁电、压电以及力学等性能的影响规律，理解周期性微孔结构和性能的关系；探索不同周期性微孔结构的铁电陶瓷在不同外场（电场、温场及应力）下的相变特性及放电行为（电流幅值、脉宽）及耐击穿行为等，实现周期性微结构调控细观变形过程和宏观冲击响应，揭示微孔结构影响冲击损伤演化的物理机制，从而避免或延迟冲击诱导失效的发生，为铁电材料研发和器件应用提供理论依据，也为其他脆性材料抗冲击破坏提供理论指导和解决思路。

本项目以PZT95/5铁电陶瓷材料为研究对象，创新性地使用3D增材制造浆料直写成型打印技术构筑具有内部周期性分布微孔结构的PZT95/5铁电陶瓷，研究多孔PZT95/5陶瓷内部周期性分布微孔结构的3D构筑、3D技术成型的具有周期性分布微孔结构的多孔PZT95/5陶瓷与传统固相反应法制备的致密型PZT95/5陶瓷的结构和电学性能的差异、具有周期性分布多孔PZT95/5铁电陶瓷在等静压和冲击波加载下相变退极化行为。主要研究内容和重要结果如下：.（1）使用浆料直写成型技术进行多孔PZT95/5铁电陶瓷的周期性分布微孔结构的3D构筑；对3D打印制备的浆料具有不同粉体与粘结剂质量比的多孔PZT95/5陶瓷样品进行形貌与电学性能的观察并测试，确定了浆料的最佳成分配比和打印工艺参数。通过调控3D打印样品相邻浆柱的间距参数，可以获得具有不同孔隙率的一系列周期性分布多孔PZT95/5陶瓷样品。.（2）使用最佳成分配比的浆料制备周期性分布多孔结构的PZT95/5铁电陶瓷，进行显微形貌表征和电学性能测试，并与传统固相法制备的致密型PZT95/5铁电陶瓷进行对比分析，重点关注极化后的周期性分布多孔PZT95/5铁电陶瓷在等静压下的原位相变退极化行为。.（3）探究周期性分布多孔PZT95/5铁电陶瓷的孔隙率与其相变退极化等静压力以及等静压力下释放的电荷密度之间的关系，并实验确定周期性分布多孔PZT95/5陶瓷样品在等静压力卸载后的相变情况。.（4）获得了冲击波加载下周期性分布多孔结构的PZT95/5铁电陶瓷放电行为，在4.52GPa的冲击压力下仍可获得稳定的放电波形和耐压性能，表明其具有较好抗冲击性能，达到了预期的目标。. 本项目的实施实现了3D打印可控制备的周期性分布多孔PZT95/5铁电陶瓷，发现了3D打印构筑周期性微孔可以延迟或避免PZT95/5陶瓷冲击诱导失效的发生，为铁电材料的研发和应用以及其他脆性材料抗冲击破坏提供一种设计思路。