热喷涂钙钛矿结构锆钛酸铅压电涂层智能传感单元极化机理研究

In view of the demand for intelligent sensing reliability of piezoelectric coating in surface engineering technology, the study of the polarization mechanism on piezoelectric sensor intelligent sensing unit from the perspective of microanalysis is considered. The polarization sensing mechanism of the intelligent sensing unit is studied from the aspects of microstructure including phase structure, ferroelectric domain structure, matrix / coating interface, which provides theoretical support for designing high performance and high efficiency intelligent sensing coating. The main contents are as follows: (1) In-situ X-ray technique and backscattering electron diffraction technique are used to study the phase structure and lattice deformation of the coating, which induced the polarization mechanism studied from the internal phase structure. (2) Scanning probe microscope technique and high-resolution transmission electron microscopy are used to study the domain structure, domain wall motion and domain switching of the PZT coating. The piezoelectric polarization mechanism is studied from the external domain part. In this program, by micro-research technology, the polarization mechanism on piezoelectric sensor intelligent sensing unit on piezoelectric PZT coating is studied from the perspective of phase structure, domain structure and interface, which has significant scientific significance.

在表面工程技术应用中对压电涂层智能传感可靠性的要求越来越高，本项目从显微分析角度对智能传感单元的极化机理进行研究，为设计高性能高效率的智能传感涂层提供理论支撑。主要内容：（1）原位X射线和背散射电子衍射技术进行涂层相结构与晶格形变研究，从内在相结构出发研究压电传感的极化作用本质；（2）采用扫描探针技术和高分辨透射电子显微技术开展涂层电畴结构、畴壁运动和电畴翻转等的研究，从外在电畴结构出发研究压电传感功能实现的极化机理。通过研究压电涂层实现智能传感的基本规律，建立压电智能传感分析模型，阐明压电传感的极化作用机理，为零件表面添加智能传感单元实现有效监测提供理论指导，利于实现一体化智能传感的有效监测。

装备服役过程中表面智能传感的准确性、灵敏性、时效性等对提高装备的战斗力意义重大，在智能传感材料，研究较多的是压电材料。感应主要依靠的是压电材料的智能传感单元，其中最小的单元就是压电铁电材料内部的电畴结构，利用电畴结构不同的极化取向以及极化取向在力电转换过程中的截取与识别，得到实时的装备服役过程中的一体化实时监测。.本项目针对压电陶瓷涂层体系对其进行结构和物理性能表征，探寻压电涂层在零部件表面作用的极化作用机理，揭示压电涂层实现智能传感的本征规律，为在零件表面添加智能传感单元实现一体化有效监测提供理论指导，具体研究内容包括钙钛矿结构陶瓷涂层结构的性能调控研究；压电陶瓷电畴结构和物理特性的关联机制研究；热喷涂钙钛矿结构压电陶瓷涂层的极化作用机制研究等。.研究发现通过工艺上的优化设计包括冷等离子体处理、深冷处理、质子辐照处理等可显著提高钙钛矿结构压电陶瓷体系的结构与物理性能，从而提高智能传感的效率；其次得到钙钛矿结构压电涂层的智能力电传感的微观本质就是铁电体所特有的电畴结构，电畴结构的类型、畴壁移动和电畴翻转特性等从根本上决定了极化传感的效率，发现了不同类型的电畴结构在外加电场、环境湿度、温度变化等条件下与极化取向耦合的变化规律。最后在应用方面提出了一种更高效的高密度无损读取的铁电畴壁存储器上的应用，并基于铁电畴的运动设计了脉冲电压测量法，通过这种测量方法实时监测中的应用，实现了铁电压电陶瓷涂层在装备服役过程中对零部件的一体化实时监测。.本项目的研究可直接获取压电材料宏观性能的影响规律，从而为压电涂层在零件表面的优化设计指明方向，为设计高效率、传输灵敏的压电智能传感元件提供理论支撑。