[发明专利]一种组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开一种组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷及其制备方法。所述组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷包括PZT95/5铁电陶瓷基体和分布于所述PZT95/5铁电陶瓷基体中的、由位于PZT95/5晶粒内部的晶内微孔和位于PZT95/5晶粒之间的晶界气孔构成的组合孔结构；其中，组合孔结构的总孔隙率在20%以内，优选为5‑10%。晶界气孔的引入可以提高PZT95/5铁电陶瓷的抗冲击性能，晶内微孔的引入用于改善剩余极化强度等电学性能，将两种微孔结构进行组合后可以显著提升PZT95/5铁电陶瓷抗冲击和耐电压性能。

技术领域

本发明属于功能陶瓷领域，涉及一种铁电陶瓷材料及其制备方法，尤其涉及一种组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷及其制备方法。

背景技术

高功率脉冲电源具有高电压、大电流、高功率、强脉冲的特点，在受控核聚变试验、强流粒子束加速器、高端医疗装备等近代科学和高技术领域有着重要的科学意义与应用价值。铁电体高功率脉冲电源是在冲击波作用下，极化的铁电陶瓷在几微秒的时间内迅速发生相变去极化，从而输出兆瓦级功率能量的脉冲电源。铁电体高功率脉冲电源具有储能密度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等突出优点。

目前，Pb_0.99(Zr_0.95Ti_0.05)_0.98Nb_0.02O₃铁电陶瓷(简称PZT95/5铁电陶瓷)具有较高的剩余极化强度、较低的诱导相变压力，伴随着高储能密度、快放电速率和高能量输出能力，是铁电体高功率脉冲电源应用的理想材料。在服役条件下，PZT95/5铁电陶瓷受到高的冲击应力和高的电场共同作用，冲击破坏会导致功能失效。因此，如何有效地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。

在不改变材料组分的前提下，通过微结构调控可以显著改变材料性能。通过引入微孔洞(晶界气孔)已被证明是提高PZT95/5铁电陶瓷材料的“塑性”变形能力、延缓损伤破坏的有效途径。美国Sandia国家实验室报道了多孔PZT95/5铁电陶瓷具有优异的耐电击穿性能。进一步研究发现这种晶界孔隙率的增加可以改善铁电陶瓷的抗冲击性能，但是气孔率的增加会降低铁电材料的电学性能，如剩余极化强度和电阻率等。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种组合孔结构的PZT95/5铁电陶瓷及其制备方法，通过晶内微孔与晶界气孔的组合构筑，实现铁电陶瓷抗冲击性能和电学性能的协同优化，对于开发高可靠性的高功率脉冲电源具有非常重要的意义。

第一方面，本发明提供一种组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷，包括PZT95/5铁电陶瓷基体和分布于所述PZT95/5铁电陶瓷基体中的、由位于PZT95/5晶粒内部的晶内微孔和位于PZT95/5晶粒之间的晶界气孔构成的组合孔结构。晶界气孔的引入可以提高PZT95/5铁电陶瓷的抗冲击性能，晶内微孔的引入用于改善剩余极化强度等电学性能，将两种微孔结构进行组合后可以显著提升PZT95/5铁电陶瓷抗冲击和耐电压性能。

其中，组合孔结构的总孔隙率在20％以内，优选为5％-10％。作为电子功能陶瓷而言，更高的孔隙率会导致PZT95/5铁电陶瓷力学和电学性能的显著降低。较佳地，所述晶内微孔的尺寸为2μm以下，所述晶界气孔的尺寸为100μm以下。优选地，所述晶界气孔的尺寸为15μm-60μm。

较佳地，组合孔结构中晶内微孔的孔隙率≤5％，晶界气孔的孔隙率≤15％。优选地，晶内微孔的孔隙率和晶界气孔的孔隙率的比例是1：2-1：5。将晶内微孔的孔隙率和晶界气孔的孔隙率的比例限定在上述范围内，利于PZT95/5铁电陶瓷抗冲击和耐电压性能的协同改善。

较佳地，所述铁电陶瓷的室温剩余极化强度≥25μC/cm²，优选为30-38μC/cm²。