WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 4 Влияние электрического поля на разрушение сегнетокерамики © Л.В. Жога, А.В. Шильников, В.В. Шпейзман Волгоградский архитектурно-строительный институт, Волгоград, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: postmaster@vgasa.ru, shpeizm.v@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 6 июля 2004 г.) Представлены экспериментальные результаты измерения времени до разрушения образцов сегнетокерамики в процессе воздействия постоянного электрического поля и различных по величине механических напряжений. Получена зависимость долговечности от напряжений для напряженностей электрического поля от 0 до 5 MV/m. Показано, что в исследованном интервале времен (1-103 s) слабые поля заметно увеличивают долговечность (упрочняют керамику), а сильные существенно снижают долговечность. Результаты можно объяснить воздействием нагрузки и электрического поля на одни и те же дефекты в керамике, которые являются очагами разрушения.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 0202-16232), Конкурсного центра Министерства образования РФ (грант № Е02-3.4-424) и программы Министерства образования „Керамика и сегнетокерамика“ (грант № 202-03-02-04).

При решении проблемы прочности сегнетокерамики выдержка при постоянной рагрузке t = 900 s. Максиважным явлется вопрос о том, как влияет внешнее мальные растягивающие напряжения рассчитывались по электрическое поле на развитие механического разру- формуле для изгиба круглых пластин с недеформируешения. Экспериментальные работы, посвященные кине- мой нейтральной плоскостью [7] тике разрушения сегнетокерамики в присутствии элек3(1 + ) b (1 + )(b2 - a2) трического поля, практически отсутствуют. Разрушение = ln + Q. (1) 2h2 a 2(1 - )c2 в электрическом поле подобных материалов исследовалось в [1–4]. Эффект возникновения механических Здесь Q — нагрузка, — коэффициент Пуассона напряжений в результате обратного пьезоэффекта в пьезокерамики. За долговечность принималось время пьезокерамике BaTiO3 рассмотрен в теоретических раот последней подгрузки до разрушения образца.

ботах [5,6], но в них разрушение считается критическим, Напряженость электрического поля E в опытах сот. е. происходящим только при достижении напряженставляла 0, 1, 2, 3, 4 и 5 MV/m.

ностью электрического поля определенного значения.

В настоящей работе поставлена задача изучить закономерности разрушения сегнетокерамики при различных 2. Результаты эксперимента комбинациях электрического и механического полей и и их обсуждение сравнить полученные кинетические параметры разрушения.

Эксперимент показал, что для данных образцов разрушение сегнетокерамики в механическом поле носит кинетический характер. Разрушение наступало при раз1. Методика эксперимента и образцы ных значениях приложенного постоянного механического напряжения и различных временах. При этом разброс Исследовалась сегнетокерамика типа PZT (ЦТС-19) времен был велик: за выбранное время эксперимента t на основе титаната и цирконата свинца Pb(Zr,Ti)O3.

наблюдалось разрушение при нагружении и отсутствие Образцы в виде дисков диаметром 2c = 20 mm и толразрушения. На рис. 1, a, b в качестве примера прищиной h = 0.7 mm имели электроды. Средний размер ведены результаты измерения долговечности сегнетозерна в образцах равнялся 4 µm, пористость варьикерамики при различных напряжениях в присутствии ровалась от 17 до 20%. Измерения электрического электрического поля напряженностью 1 и 4 MV/m.

напряжения проводились в этилсилоксановой жидкости.

В [8] было показано, что время до разрушения (долгоНа электроды подавалось постоянное по знаку элеквечность) при ступенчатом нагружении можно описать трическое напряжение, которое не изменялось вплоть формулой до разрушения образца. Механическое нагружение осуU0 - Vef ществлялось путем осесимметричного изгиба, диаметры = 0 exp. (2) kT опорного и нагружающего колец составляли 2b = 13 mm и 2a = 7 mm соответственно. Нагрузка прикладывалась Здесь Vef — эффективный активационный объем, U0 — ступенями по P = 1.5 N, что составляло = 1.7MPa, энергия активации процесса разрушения, T — темпеВлияние электрического поля на разрушение сегнетокерамики Статистическая обработка данных по кинетике разрушения сегнетокерамики в присутствии электрического поля, MPa 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 E, MV/m 4 4 4 4 1 4 1 4 1 1 1 1 1 n 0 1 7 20 0 33 0 41 3 8 15 27 32 ni 0 5 12 12 0 7 2 0 5 7 12 5 4 n 41 35 22 9 37 0 35 0 29 22 10 5 1 ni/n 0 0.12 0.29 0.29 0 0.17 0.05 0 0.14 0.19 0.32 0.14 0.11 n /n 0 0.02 0.20 0.51 0 0.83 0 1 0.08 0.22 0.41 0.73 0.86 0.Примечание. n — число образцов, разрушившихся при подгрузке при напряжении ; ni — число образцов, разрушившихся в интервале времен от min до max; n — число образцов, не разрушившихся при нагружении и выдержке при.

ратура опыта, k — постоянная Больцмана, 0 = const. Среднее значение B = 1.3MPa-1 позволяет определить При постоянной температуре формула (2) имеет вид эффективный активационный объем Vef = 12 · 10-27 m-3, = Ae-B, где A определяет энергию активации, а B — что близко к результатам [9].

эффективный активационный объем процесса разрушеСравнение данных, полученных в настоящей рабония. В [8] был также разработан прием вычисления A те и в [8,9], позволяет сделать вывод об одинаковом и B по среднему значению прочности и вероятности проявлении временных эффектов при разрушении в разрушения W при постоянном в заданном интервале электрическом и механическом полях. Это подтверждавремен от min до max:

A lg max/min lg A/min lg =, B =. (3) min Wd В опытах за вероятность W принималось отношение числа образцов (ni), разрушившихся при данном i в интервале времен от min до max, ко всем испытанным (n). Среднее значение прочности определялось по интегральной кривой распределения прочности, в которой учитывались данные для образцов, разрушившихся на всех предыдущих ступенях и в момент последней подгрузки, т. е. до начала выдержки при данном напряжении (их число обозначено n ).

В таблице приведены результаты обработки данных, представленных на рис. 1, a, b. Функции W ( ) и рас пределения прочности, по которым определялась для напряженностей электрического поля 1 и 4 MV/m, показаны на рис. 2, a, b. По этим данным, а также по аналогичным данным для других величин напряженности поля в соответствии с (3) были рассчитаны значения коэффициентов A и B (рис. 3). Как следует из рис. 3, зависимости lg A и от напряженности электрического поля повторяют друг друга, а коэффициент B в первом приближении можно считать постоянным.

Уменьшение с ростом E по закону, близкому к линейному с коэффициентом 6.4 N/V·m, наблюдается только при E 3 MV/m. При меньших E прочность сначала несколько возрастает, а затем возвращается к значениям, близким к прочности без электрического поля. Аналогичный вывод был сделан ранее в [8], Рис. 1. Время до разрушения при одновременном воздейоднако если в [8] он относился только к прочности, ствии постоянного электрического поля напряженностью 1 (a) соответствующей = 1 s, то теперь его можно распро- и 4 MV/m (b) и ступенчато возрастающей механической настранить на времена (или скорости нагружения) до 103 s. грузки.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 630 Л.В. Жога, А.В. Шильников, В.В. Шпейзман ет ранее высказанное в [8] предположение о влиянии на эти процессы одних и тех же дефектов структуры.

Итак, результаты опытов указывают на кинетический характер механического разрушения в присутствии электрического поля. При этом вероятность разрушения в заданном интервале времен (величина, пропорциональная Vef, как это следует из (3)) не зависит от напряженности электрического поля. Небольшое упрочнение в слабых полях, наблюдаемое в интервале времен 1-103 s, очевидно, связано с релаксационными процессами в структуре сегнетокерамики. Если предположить, что в (2) предэкспоненциальный множитель 0 = 10-13 s в исследованных интервалах E и, то можно оценить энергию активации разрушения. При E 3 MV/m энергия примерно постоянна и равна 2.3 eV, а при E 3 MV/m она убывает с ростом напряженности электрического поля. Большой разброс значений прочности и долговечности отдельных образцов сегнетокерамики вызван неоднородностью структуры и большим числом дефектов различной природы. В [8] подробно исследовано распределение прочности аналогичной керамики. В частности, было показано, что вейбулловское Рис. 3. Зависимости средней прочности (a), параметров A (b) и B (c) от напряженности электрического поля.

распределение прочности имеет излом, что указывает на присутствие дефектов двух типов. Приведенные в настоящей работе данные по кинетике разрушения в присутствии постоянного электрического поля показывают, что очагами разрушения (по крайней мере, при временах до 103 s) являются изначальные дефекты, а средние значения долговечности и прочности связаны между собой выражением (2).

Список литературы [1] А.Д. Феронов, В.А. Сервули. Физика диэлектриков и полупроводников. ВПИ, Волгоград, (1981). 111 с.

Рис. 2. Зависимость вероятности разрушения W в интервале времен 1-103 s от напряжения и интегральная кривая распре- [2] С.Н. Койков, А.И. Цикин. Электрическое старение твердых деления прочности. E, MV/m: a —1, b —4. диэлектриков. Энергия, Л. (1968). 186 с.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Влияние электрического поля на разрушение сегнетокерамики [3] М.А. Багиров, Я.Т. Разимов, Т.Ф. Аббасов, С.А. Аббасов.

ФТТ 15, 5, 1579 (1973).

[4] М.С. Дахия, В.А. Закревский, А.И. Слуцкер. ФТТ 26, 9, 2716 (1984).

[5] Е.И. Бондаренко, В.Ю. Тополов, А.В. Турик. ЖТФ 57, 7, 1416 (1987).

[6] Е.И. Бондаренко, В.Ю. Тополов, А.В. Турик. ЖТФ 62, 12, 145 (1992).

[7] Ф.Ф. Витман, Я.С. Уфлянд, Б.С. Иоффе. Прикл. механика 5, 6, 122 (1970).

[8] Л.В. Жога, В.В. Шпейзман. ФТТ 34, 8, 2578 (1992).

[9] Л.В. Жога, А.В. Шильников, В.В. Шпейзман. Изв. РАН. Сер.

физ. 67, 8, 1207 (2003).

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.