Бесплатно скачать, заказать диплом, курсовую, диссертацию Доменные и релаксационные процессы 6 гетерогенный сегнетоактивнык системак

У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ

Сделать закладку на сайт

Заказать диплом, курсовую, диссертацию

Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Книга жалоб
и предложений

Название	Доменные и релаксационные процессы 6 гетерогенный сегнетоактивнык системак

Количество страниц	132

ВУЗ	МГИУ

Год сдачи	2010

Бесплатно Скачать	23268.doc

Содержание	Содержание ОГЛАВЛЕНИЕ Список основных сокращений...5 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ...6 ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИСТЕРЕЗИС В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ (КЕРАМИЧЕСКИХ) СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ...12 1.1. Модель Прейзаха для описания диэлектрического и пьезоэлектрического гистерезиса в сегнетоэлектрических керамиках (обзор)...12 1.2. Электромеханические переключения в сегнетоэлектриках-сегнетоэластиках: теория и эксперимент (слабые и средние поля)...16 1.3. Модель Прейзаха для моделирования нелинейных пьезоэлектрических свойств сегнетоэлектриков (сильные поля)...25 Выводы к главе 1...34 ГЛАВА 2. ПОРИСТАЯ СЕГНЕТОПЬЕЗОКЕРАМИКА...35 2.1. Методы получения образцов...35 2.1.1. Синтез...35 2.1.2. Спекание керамики...37 2.1.2.1. Обычная технология...37 2.1.2.2. Горячее прессование...37 2.1.3. Изготовление измерительных образцов...39 2.1.4. Поляризация...39 2.2. Методы исследования образцов...39 2.2.1. Определение плотности...39 2.2.2. Рентгенографические исследования...40 2.2.3. Определение электрических и упругих характеристик при комнатной температуре...40 2.2.4. Методы измерения пьезохарактеристик...41 2.2.5. Измерения обратных пьезомодулей...42 2.3. Пористая пьезокерамика на основе NaNbO3...44 2.4. Пористая пьезокерамика PMN-PT...48 Выводы к главе 2...53 ГЛАВА 3. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В УПОРЯДОЧЕННЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ...54 3.1. Миграционная поляризация в постоянном поле и гигантское увеличение статической диэлектрической проницаемости (обзор)...54 3.2. Диэлектрическая проницаемость 0-3 - композитов: гигантское диэлектрическое усиление вместо коллективного резонанса...62 3.2.1. Диэлектрическая проницаемость 0-3-композитов...62 3.2.2. Формула Максвелла-Гарнета...62 3.2.3. Гигантское увеличение диэлектрической проницаемости...63 3.2.4. Коллективный диэлектрический резонанс...66 3.3. Гигантская диэлектрическая релаксация в упорядоченных матричных системах...68 Выводы к главе 3...73 ГЛАВА 4. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ...74 4.1. Неупорядоченные гетерогенные системы (обзор)...74 4.2. Гигантская диэлектрическая и обратная пьезоэлектрическая релаксации в сегнетоэлектрических керамиках...77 4.3. Гигантское пьезоэлектрическое и диэлектрическое усиление в неупорядоченных гетерогенных системах...83 4 4.3.1. Неупорядоченные гетерогенные системы. Теоретическое описание...84 4.3.2. Результаты и обсуждение...86 4.4. Неупорядоченные гетерогенные системы: переход диэлектрик-проводник...95 4.5. Неупорядоченные гетерогенные системы: переход «проницаемость-непроницаемость»...102 Выводы к главе 4...106 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...107 Список печатных работ автора...110 ЛИТЕРАТУРА...113 ПРИЛОЖЕНИЯ...125 Приложение 1...126 Приложение 2...132 Список основных сокращений СК - сегнетокерамика ПКР - пьезокерамика ростовская ЦТС (PZT) - цирконат-титанат свинца ГП - горячее прессование ДП - диэлектрическая проницаемость MB - максвелл-вагнеровская Е - напряженность электрического поля D - электрическая индукция Р - поляризация (поляризованность) <7- механические напряжения ?- механические деформации s- диэлектрические проницаемости af-пьезомодули s - упругие податливости у- удельные проводимости К- коэффициенты электромеханической связи со- круговая частота электрического поля ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Гетерогенным называется материал, состоящий из областей различных материалов (фаз), такой как композит, или один и тот же материал в различных состояниях, такой как поликристалл [1]. Композиты [2] и поликристаллические (керамические) сегнетоэлектрики являются представителями класса активных гетерогенных систем, получающих все большее применение в современной технике. Физическими свойствами таких систем можно эффективно управлять с помощью внешних воздействий. При этом свойства системы определяются факторами, действующими не только на микроскопическом, но также на мезоскопическом и макроскопическом уровнях, которые формируются как в процессе образования объектов и усложнения их химического состава, так и во время предшествующих фазовых переходов. Несмотря на обширный библиографический материал, природа структурных неустойчивостей, особенности физических процессов и фазовых состояний в указанных системах до конца не поняты. Во многом такая ситуация связана со сложностью изготовления гетерогенных материалов и трудностью воспроизводимости, моделирования и интерпретации их физических свойств. Все это обусловливает неполноту выполненных разными авторами исследований и несоответствие между их результатами. Поэтому исследование гетерогенных сегнетоактивных систем представляется актуальным как с научной, так и с практической точек зрения. Цель работы. Исследование доменных и релаксационных процессов, происходящих в гетерогенных сегнетоактивных системах под влиянием внешних воздействий. Задачи исследования: - изучить доменные переориентации и электромеханический гистерезис в пьезокерамиках различной степени сегнетожесткости; - изучить влияние пористости на физические свойства пористых сегнетокерамик; - изучить возможности управления электрофизическими свойствами сегнетокерамик с помощью внешних воздействий; - исследовать механизмы гигантского усиления и гигантской релаксации диэлектрической проницаемости в упорядоченных матричных гетерогенных системах; - исследовать особенности поведения диэлектрических, пьезоэлектрических, упругих констант и проводимостей и их связь с переходами «диэлектрик-проводник», «жесткость-податливость» и «проницаемость-непроницаемость» в неупорядоченных гетерогенных системах типа сегнетокерамик и статистических смесей. Объекты исследования: 1. Сегнетопьезокерамики системы ПКР. 2. Соединения и твердые растворы на основе NaNbC>3 и PbMgi/3Nb2/3O3-PbTiO3. 3. Упорядоченные матричные гетерогенные системы. 4. Неупорядоченные гетерогенные системы типа статистических смесей. Научная новизна В ходе выполнения диссертационной работы впервые: - обнаружены и интерпретированы максимумы на кривых d^{E) 4 зависимости обратного пьезомодуля от напряженности электрического поля, наиболее четко выраженные у сегнетомягких пьезокерамик; - установлены причины различия скоростей изменения с ростом пористости упругих, диэлектрических и пьезоэлектрических констант пористых сегнетокерамик; - показано, что в упорядоченных матричных гетерогенных системах, описываемых формулой Максвелла-Гарнета, невозможен коллективный диэлектрический резонанс, вместо которого возникают гигантское усиление и гигантская релаксация диэлектрической проницаемости; - исследованы особенности поведения пьезоэлектрических, диэлектрических, упругих констант и проводимости в неупорядоченных системах типа статистических смесей и связь этих особенностей с перколяционными явлениями. Практическая значимость работы Новые результаты и установленные в работе закономерности позволяют значительно пополнить имеющуюся информацию по свойствам сегнетопьезокерамик (процессы электромеханического гистерезиса, поведение пористых и проводящих керамик) и композиционных материалов. Гигантское увеличение пьезомодулей и статической диэлектрической проницаемости и гигантские пьезоэлектрическая и диэлектрическая релаксации могут быть использованы при разработке технических устройств с активными сегнетоэлектрическими элементами и для дальнейшего исследования гетерогенных сегнетоактивных систем. Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. Максимумы на кривых d^{E) зависимости обратного пьезомодуля от напряженности электрического поля, наиболее четко выраженные у сегнетомягких пьезокерамик, возникают вследствие неоднородного распределения не 180 -ных доменов поляризованной керамики по внутренним и коэрцитивным электрическим полям. Описание немонотонной зависимости d^{E), наблюдаемой у всех исследованных сегнетокерамик системы ПКР, невозможно с помощью закона Рэлея и требует использования более общей модели Прейзаха. 2. Вследствие несовпадения в 3-мерных статистических смесях порогов упругой и диэлектрической (пьезоэлектрической) перколяций скорость уменьшения с ростом пористости упругого модуля с^° значительно больше скоростей уменьшения диэлектрической проницаемости /зз/еои пьезомодуля d3[ пористых сегнетокерамик. 3. В матричных гетерогенных системах возможно гигантское увеличение статической диэлектрической проницаемости, сопровождающееся гигантской диэлектрической релаксацией. Коллективный диэлектрический резонанс в таких средах не наблюдается. 4. Вблизи фазового перехода «диэлектрик-проводник» в композитах типа статистических смесей возникает не только расходимость статической диэлектрической проницаемости, но и гигантское пьезоэлектрическое усиление. 5. В статистических смесях вблизи порога перколяций «проницаемость-непроницаемость» наблюдается эффект гигантского увеличения высокочастотной проводимости. Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции ПЬЕЗОТЕХНИКА-2003 (Москва, 2003); Международной научно-технической конференции ПОЛИМАТЕРИАЛЫ-2003 (Москва, 2003); IV Международном семинаре по физике сегнетоэ ласти ков (Воронеж, 2003); XXI Международной конференции по релаксационным явлениям в твердых телах (RPS-21, Воронеж, 2004); Международных симпозиумах "Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах" (ОМА-2004, Сочи, 2004) и "Порядок, беспорядок и свойства оксидов" (ODPO-2004, Сочи, 2004); Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC - 2004, Москва, 2004). Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 17 печатных работах (из них 5 статей в реферируемых научных журналах и 9 статей в материалах конференций). Личный вклад автора в разработку проблемы. Все исследования выполнены по инициативе и с участием автора. Постановка задач исследования, анализ и обобщение данных и формулировка выводов по работе осуществлены совместно с научным руководителем. Автору принадлежат выбор путей решения поставленных задач, интерпретация экспериментальных и теоретических данных; им написаны некоторые компьютерные программы и разработаны сопутствующие процедуры подготовки данных и обработки результатов. Все выносимые на защиту научные положения диссертации разработаны автором. Соавторы совместных публикаций принимали участие в проведении экспериментов и расчетов, написании компьютерных программ (для большей части расчетов использовались программы, разработанные А.И. Чернобабовым и Г.С. Радченко), обработке полученных данных и обсуждении результатов соответствующих разделов работы. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, перечня основных результатов и выводов, списка печатных работ автора (17 наименований), списка цитированной литературы из 120 наименований и 2 приложений. Диссертация содержит 135 страниц машинописного текста, включающих 21 рисунок и 6 таблиц. Обзор литературы совмещен с соответствующими главами диссертации. ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИСТЕРЕЗИС В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ (КЕРАМИЧЕСКИХ) СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКАХ 1.1. Модель Прейзаха для описания диэлектрического и пьезоэлектрического гистерезиса в сегнетоэлектрических керамиках (обзор) Функциональные (активные, smart) материалы привлекают большое внимание благодаря возможности управлять их свойствами с помощью внешних воздействий. Такая возможность возникает и реализуется благодаря существованию сегнетоэлектрических фазовых переходов и подвижной доменной структуры. Изменение доменной структуры происходит вследствие доменных переключений под действием внешних электрических и/или механических полей. В мягких сегнетокерамиках (СК) с высокой подвижностью доменных границ изменения доменной структуры, вызванные внешними воздействиями, могут давать большой вклад в величины диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих констант. Доменные переключения сопровождаются диэлектрическим, упругим и электромеханическим (пьезоэлектрическим) гистерезисом. Поведение СК может быть описано в рамках термодинамических (в терминах свободной энергии F(PJ) или статистических методов. Однако присутствие доменной структуры позволяет получить одну и ту же величину поляризации Р для различных доменных конфигураций. Следовательно, Р и F не являются термодинамическими функциями состояния СК, и термодинамическое описание СК некорректно. Статистическое описание доменных процессов в СК существенно облегчается благодаря далеко идущей феноменологической аналогии между сегнетоэлектриками и ферромагнетиками. Для исследования процессов намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков была предложена статистическая модель Прейзаха (Preisach [3]). Модель Прейзаха широко применялась и продолжает применяться при исследовании ферромагнитных материалов и нелинейных стохастических процессов [4-10]. Впервые формализм Прейзаха был использован для описания поляризации и диэлектрического гистерезиса СК в серии статей [11-13] и монографии [14] в 1960-е годы. В 1980-90-х годах Дамьянович [15-17] применил закон Рэлея, который ранее также использовался при описании ферромагнетиков, для разделения внутренних и внешних вкладов в пьезомодули и описания петель электромеханического гистерезиса СК. Однако вытекающая из закона Рэлея линейная зависимость прямого пьезомодуля i/зз от амплитуды переменного механического напряжения наблюдалась только для некоторых СК, тогда как для ряда других СК было характерно нерэлеевское поведение. Это различие в поведении СК привело к необходимости использования более общего описания. Такое описание, основанное на модели [3], было предложено в работе [18]. Вначале рассмотрим, следуя [11-13], модель Прейзаха и ее применение для изучения доменных переключений, диэлектрической поляризации, диэлектрической восприимчивости и гистерезиса. Будем считать, что СК представляет собой ансамбль 180 -ных доменов. Каждый из них рассматривается как бистабильный элемент с двумя устойчивыми состояниями и характеризуется прямоугольной петлей гистерезиса с внутренним электрическим полем -оо < Ег < оо, определяющим сдвиг петли гистерезиса относительно оси поляризации Р, коэрцитивным полем 0 < Ес < оо, равным полуширине петли, и спонтанной поляризацией Ps (рис. 1.1). Внутреннее поле определяется взаимодействием между индивидуальным доменом и его окружением. Коэрцитивное поле зависит #() от химического состава СК, температуры и частоты электрического поля. Все домены с ?,• > Ес ориентированы в отрицательном, а все домены с Ei < -Ес - в положительном направлении (рис. 1.2). Ориентация доменов с -Ес < Е( < Ес считается определенной неточно. После завершения переходных процессов переключаемые в переменном поле Е с амплитудой Ет домены будут локализованы в «рабочем» равнобедренном треугольнике, вершины которого имеют координаты Ес = Ет, Et = ± Ет на плоскости (Ес, Ei) (рис. 1.3). Предполагается, что в направлении Е ориентирована 1/3 доменов СК. Уравнения девственной кривой поляризации Рт(Ет), нисходящей (Р) и восходящей (Р+) ветвей петли электромеханического гистерезиса могут быть записаны следующим образом: Фигурирующая в уравнениях (1.1)-(1.3) функция распределения доменов по внутренним и коэрцитивным полям f[Eh Ec) в слабых полях может быть разложена в ляд Маклорена и Ее) =/о + gEc + ИЕС2 + Ш} + ... (1.4) В сильных полях уравнение (1.4) может рассматриваться как аппроксимация. Функция J[E,, Ec) определяет количество 180 -ных доменов в элементе dE,dEc как J[Eh Ec)dEidEc и подчиняется условию нормировки В очень слабых полях Д?/, Ес) &f0 = const и принадлежит области Рэлея. %•> Л-> S и ДРУгие параметры распределения могут быть получены как производная Х = {дР1дЕ)Ет (1.6) и путем фитинга двух следующих кривых: = PJEm =Z + PsEJ3(f0 + gEJi + ...) (1.7) {дР+1дЕ)Ет =z + PsEJ3(2f0 + gEm+...). (1.8) 1.2. Электромеханические переключения в сегнетоэлектриках-сегнетоэластиках: теория и эксперимент (слабые и средние поля) Теория. Поликристаллические (керамические) сегнетоэлектрические материалы являются представителями обширного класса гетерогенных систем, физические свойства которых могут изучаться статистическими методами. Однако имеется принципиальное различие между сегнетоэлектрической керамикой (СК) и классическими (несегнетоэлектрическими) гетерогенными системами - присутствие доменной структуры. Существенным фактором, во многом определяющим как измеряемые величины физических констант СК, так и работу устройств с функциональными СК элементами, является перестройка доменной структуры при изменениях температуры, электрических полей, механических напряжений и других внешних воздействий. В мягких СК с высокой подвижностью доменных границ изменения доменной структуры, вызванные внешними воздействиями, могут давать большой вклад в величины диэлектрических, пьезоэлектрических и упругих констант. Выше уже отмечалось, что статистическое описание доменных процессов в СК существенно облегчается благодаря далеко идущей феноменологической аналогии между сегнетоэлектриками и ферромагнетиками. Предложенная для исследования процессов намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков модель Прейзаха [3] была впервые использована для описания поляризации и диэлектрического гистерезиса СК в серии статей [11-13] и в монографии [14] в 1960-е годы. Интерес к прейзаховской модели резко возрос в 2000-е годы, когда была осознана целесообразность и эффективность использования ее для интерпретации многочисленных экспериментальных данных по доменным процессам в сегнетоэлектриках [18-22]. О важности использования прейзаховской модели для сегнетоэлектриков свидетельствует тот факт, что Бартик и др. [19], не будучи знакомы с работами [11-13], сочли необходимым специально подчеркнуть, что именно они впервые предложили применить эту модель к сегнетоэлектрикам (см. также [23], где они отказались от этого 'утверждения). В 1980-90-х годах Дамьянович [15-17] применил закон Рэлея, который ранее широко использовался при описании ферромагнетиков, для разделения внутренних и внешних вкладов в пьезомодули и описания петель электромеханического гистерезиса СК при прямом пьезоэлектрическом эффекте. Однако вытекающая из закона Рэлея линейная зависимость прямого пьезомодуля d^d от амплитуды переменного механического напряжения наблюдалась только для некоторых СК, тогда как для ряда других СК было характерно нерэлеевское поведение. Это различие в поведении СК привело к заключению, что для последнего случая должно использоваться более общее описание. Такое описание, основанное на модели [3], было предложено в работе [18]. Наши работы посвящены более подробному описанию модели Прейзаха и использованию ее для изучения пьезоэлектрических свойств и электромеханического гистерезиса при обратном пьезоэлектрическом эффекте.

Список литературы

Цена, в рублях: (при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)	1425

Скачать бесплатно	23268.doc

Найти готовую работу

ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:

Связаться

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ

15.04.24 Задачи, условия и этапы организации экспериментальной работы

15.04.24 Критерии качества преподавания

15.04.24 Категория нормы в обучающей деятельности

Архив материала для курсовых и дипломных работ

Ссылки:

Счетчики:

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.