【摘要】：人類在極地、外太空開展的能源探索離不開低溫環(huán)境,溫度也是影響材料性能的一大關(guān)鍵因素。弛豫鐵電體以其優(yōu)異的壓電、熱釋電和鐵電性使其成為溝通機械能、電能、熱能之間相互轉(zhuǎn)換的橋梁,必然在低溫研究領(lǐng)域發(fā)揮作用。因此測試弛豫型鐵電單晶鈮鎂鈦酸鉛(PMN-PT)在低溫環(huán)境下的力電性能,對于指導(dǎo)材料的生產(chǎn)應(yīng)用具有十分重要的意義。微納米壓痕測試技術(shù)以其樣品制備簡單、操作方便、測量和定位分辨率高等優(yōu)勢,近年來已發(fā)展成為材料力學(xué)性能測試的一種主流技術(shù)。本文結(jié)合當(dāng)前鐵電材料和低溫納米壓痕測試技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提出采用鐵電分析儀和自制低溫微納米壓痕測試裝置,分別測試PMN-PT的電滯回線和壓痕曲線,進而分析低溫環(huán)境對PMN-PT電學(xué)和力學(xué)性能參數(shù)的影響;給出鐵電體力電耦合數(shù)據(jù)分析理論和壓痕測試經(jīng)典數(shù)據(jù)分析方法Oliver-Pharr法的計算流程,并對壓痕測試裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作原理作簡要介紹。試驗開始前,完成以下四個方面的工作:一、對低溫納米壓痕測試裝置進行校準(zhǔn),儀器校準(zhǔn)后得到的標(biāo)準(zhǔn)熔融石英壓痕測試曲線與商業(yè)化壓痕儀測得的曲線重合度很高,其硬度偏差2.2%,彈性模量偏差1.8%,測試結(jié)果具有很高的準(zhǔn)確性和重復(fù)性;二、提出改進低溫壓痕溫漂的措施,對比兩種修正方法的優(yōu)劣,并測試壓頭纏繞銅絲制冷的修正效果;三、對壓痕儀擴展載物臺進行瞬態(tài)熱仿真分析,得到反映試件與低溫制冷端溫度關(guān)系的近似擬合公式,指導(dǎo)任意試驗溫度下制冷端溫度的設(shè)定,從而提高試驗效率;四、測試真空箱航空插頭的擊穿電壓大于最大加載電壓,確保試驗安全,并將鐵電分析儀、信號發(fā)生器等測試設(shè)備集成于真空箱外。變溫電滯回線測試探究了真空度、溫度、測試頻率等因素對PMN-PT電學(xué)性能的影響,結(jié)果表明:真空環(huán)境使PMN-PT的自發(fā)極化強度、剩余極化強度、矯頑場增大;在20℃(293K)~-173℃(100K)溫度區(qū)間內(nèi),隨測試溫度降低,PMN-PT的自發(fā)極化強度、剩余極化強度逐漸減小,矯頑場逐漸增大,電滯回線越來越不飽和,且達(dá)到飽和時需要的測試電壓逐漸增大;溫度和測試電壓一定時,隨測試頻率增加,PMN-PT的自發(fā)極化強度、剩余極化強度減小,矯頑場增大;測試電壓越大,電滯回線越飽和,測試頻率對電滯回線的影響越小;隨溫度降低,測試頻率對電滯回線的影響逐漸增加,說明PMN-PT的電學(xué)性能參數(shù)對低溫較敏感。變溫電場壓痕測試探究了溫度、電場強度等因素對PMN-PT力學(xué)性能的影響,并借助Olympus顯微鏡輔助分析材料性能的變化。結(jié)果表明:20℃(293K)和-100℃(173K)時PMN-PT的硬度、彈性模量值分別為4.67GPa、330.34GPa和5.22GPa、256.63GPa,說明在293K~173K溫度區(qū)間內(nèi),隨溫度降低,PMN-PT的硬度逐漸增大,彈性模量逐漸減小;溫度一定,隨測試電壓增加,PMN-PT的硬度增大,彈性模量減小,說明試件的極化(有序)程度越高,硬度越大,彈性模量越小;且測試溫度越低,負(fù)電壓時各參數(shù)變化的幅度越小,正電壓時各參數(shù)變化的幅度越大,說明在293K~173K溫度區(qū)間內(nèi),隨溫度降低,PMN-PT的電致伸縮應(yīng)變增大,對應(yīng)的電致伸縮系數(shù)增大;真空度對PMN-PT壓痕測試曲線和力學(xué)性能參數(shù)的影響可以忽略。
【圖文】：

圖 1.1 Yoshino 等人自制的試驗裝置[12]Yoshino 用圖 1.2 所示改進的低溫壓痕測試儀進行試曲線。經(jīng)過曲線分析，發(fā)現(xiàn)前述超導(dǎo)體的裂紋長度

圖 1.2 改進的低溫壓痕試驗裝置[13]圖 1.3 低溫壓痕曲線[13]2007 年，英國 Khayyat[14]等人利用自制的試驗儀器研究 77K～300K 溫度范圍內(nèi)，壓痕誘導(dǎo)單晶硅相變的機制，儀器示意圖如圖 1.4 所示。通過圖 1.5 所示的四探針電阻法、圖 1.6 所示掃描電子顯微鏡下的殘余壓痕形貌觀測，得到如下結(jié)論：溫度在 200K 以上，，單晶硅發(fā)生 Si-Ⅰ相到 Si-Ⅱ相相變，200K 以下不發(fā)生
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB302

【參考文獻】

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本文編號：2668385