Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследований электрического пробоя пвезокерамических материалов 13
1.1. Обзор экспериментальных исследований... 14
1.1.1. Влияние неоднородности структуры и границ зерен на электрическую прочность 14
1.1.2. Влияние температуры на электрическую прочность 19
1.1.3. Влияние поляризации на электрическую прочность 24
1.2. Поверхностный пробой 29
1.2.1. Теоретические модели пробоя 29
1.2.2. Обзор экспериментальных исследований 33
2. Методика эксперимента 41
2.1. Постановка задачи и содержание исследований . 41
2.2. Методика эксперимента 44
3. Экспериментальные результаты 53
3.1 Диэлектрические характеристики пьезокерамшш в быстронарастащем электрическом поле 53
3.2. Объемный пробой пьезокерамшш в быотронарастающем электрическом поле 68
3.3. Закономерности поверхностного пробоя в быстронарастающем электрическом поле 88
3.4. Поверхностный пробой пьезокерамшш в статических и импульсных электрических полях 99
3.5. Поверхностный пробой не поляризованной в статических и импульоных электрических полях . 105
4. Обсуждение результатов 113
4.1. Влияние диэлектрических характеристик на объемный пробой пьезокерамики в быстронараставдих электрических полях 113
4.2. Явления и механизм формирования поверхностного пробоя пьезокерамики 121
4.3. Расчет напряженности поля поверхностного пробоя пьезокерамики в быстронарастащем электрическом поле 131
Рекомендации по практическому использованию результатов
Диссертации 145
Основные результаты и выводы 147
Литература
- Влияние неоднородности структуры и границ зерен на электрическую прочность
- Экспериментальные результаты
- Закономерности поверхностного пробоя в быстронарастающем электрическом поле
- Расчет напряженности поля поверхностного пробоя пьезокерамики в быстронарастащем электрическом поле
Влияние неоднородности структуры и границ зерен на электрическую прочность
Основным фактором, определяющим электрическую прочность керамических диэлектриков, принято считать прежде всего неоднородность структуры в виде включений, электрические характеристики которых отличаются от характеристик основной кристаллической фазы ( поры, примеси, инородные включения, дефекты ).
Поскольку невозможно получить керамику, в которой полностью отсутствовали бы поры, то наличие пор может приводить к некоторым модифиуациям в электрических свойствах керамики В тех случаях, когда воздействие высокого напряжения вызывает разряд в газовых включениях [21-24] , они становятся проводящими включениями, уменьшающими эффективную толщину образца. Наличие проводящих включений заметно снижает электрическую прочность [25] , тем самым подтверждая действие ионизации в порах как процесса, уменьшающего эффективную толщину образца.
Электрическая прочность керамики в значительной степени зависит от размеров пор и процента пористости [20, 21, 26-29] , особенно если поры велики, или составляют 10-20 % от объема образца При изучении электрического пробоя поликристаллических тита-натов второй группы таблицы Д.И.Менделеева [23, 30] было установлено, что эти материалы имеют пониженную пробивную прочность Они содержали поры размером Ю-40 мкм, чем и обусловлено, по мнению авторов, понижение электрической прочности. Хотя в ряде других работ [31, 32] высказано сомнение в возможности ионизации в порах, тем самым отводя пористости несущественную роль в понижении электрической прочности, все же следует считать, как подтверждают результаты подавляющего большинства работ, что одной из причин низкой электрической прочности пористых керамических диэлектриков являются электрические разряды в воздушных включениях и что уменьшается как с увеличением размера пор, так и увеличением их процентного содержания. Однако результаты, приведенные в [23, 30] свидетельствуют о том, что механизм пробоя пористых поликристаллических титанатов с высокой диэлектрической проницаемостью не вполне понятен. Это относитоя прежде всего к керамическому BaTl 03 При изучении температурной зависимости Епрна постоянном и переменном напряжении частоты 50 Гц было установлено, что на переменном напряжении Е ггр не зависит от температуры, тогда как при постоянном напряжении Е rvp уменьшается с увеличением температуры, то есть пробой носит тепловой характер. Обычно для однородных диэлектриков наблюдается обратное: если пробой некоторого вещества в определенной области температур является тепловым при постоянном напряжении, то при переменном напряжении ( в этой же области температур ) пробой тем более имеет тепловой характер [її] , так как полные диэлектрические потери при частоте 50 Гц могут быть только больше потерь проводимости.
Указанное правило неприменимо к керамическому титанату бария. Авторы связывают это явление с тем, что при переменном напряжении в порах BCJTL03 перед пробоем происходит большое число разрядов, облегчающих пробой. Такое объяснение нельзя признать удовлетворительным, так как Е пр керамического титаната бария не только на переменном, но: и на постоянном напряжении в 3-4 раза ниже, чем у остальных поликристаллических диэлектриков. Можно предположить, что такой характер поведения &aTt03 в сильных электрических полях в основном обусловлено специфичностью структуры керамики, а именно, сегнетоэлектрической природой вещества.
Действительно, электрическая прочность керамики Всі Ті 0 э , изготовленной по обычной технологии спекания, на переменном напряжении составляет 2,5 кВ/мм, тогда как Е ар образцов горячего прессования может возрасти до 5 кВ/мм и выше [23, 30, 33] , то есть имеет место существенное увеличение электрической прочности. Хотя эти значения Е пр даже для наиболее изученного материала, как BaTt03 , нельзя считать окончательными в силу значительного влияния на результаты измерений предиотории образца, тем не менее Эффект увеличения Епр керамики, полученной горячим прессованием, не может быть объяснен простым уменьшением пористости.
Экспериментальные результаты
При воздействии на ПК быстронараставдего электрического поля Е в поляризующем ( R И Е ) направлении через исследуемый образец течет ток, обусловленный обратимыми процессами поляризации ( электронными и ионными ) и не связанный с доменными ре ори ч ентациями. Поэтому напряжение на образце растет линейно до наступления пробоя и не имеет никаких особых отклонений, В переполя-ризующнм ( Рг Н Е ) направлении наряду с током, обусловленным электронными и ионными процессами поляризации, через образец течет существенно превосходящий его по величине ток переключения поляризации, что отражается на форме импульса напряжения. В этом случае на кривой V(t) появляется характерное плато, отвечающее процессу интенсивного переключения доменов, который протекает при одном и том же уровне напряжения. В момент появления плато на кривой V(t) напряжение на образце определяется величиной дина-мического коэрцитивного поля Ьс , умноженной на толщину образца.
Типичные осциллограммы токов и напряжений v(t) в поляризующем и переполяризующем электрических полях, приложенных к исследуемым образцам ПК, приведены на рисунке 6 а,б. Вид осциллограмм одинаков для различных скоростей нарастания поля В но зависит от того, в каком направлении относительно Рр приложено электрическое поле Е . Как видно из рисунка 6 б в переполяризующем направлении электрическое поле в образце сначала растет монотонно со скоростью Ef , затем оно держится на уровне Ес до полного переключения поляризации Ра , после чего вновь растет, но уже с другой скоростью а , достигая максимального значения. Максимальное электрическое поле, развиваемое в образце,
Типичные осциллограммы напряжения ( верхний луч ) и тока ( нижний луч ) пробившихся по объему образцов ПК в поляризующем ( а ) и перепаляризущем ( б ) направлениях, не поляризованных и термически деполяризованных образцов ЦТС в быстронарастающем электрическом поле. Стрелками указаны моменты: 0 - подачи напряжения на образец, I и 2 - начала и конца переполяризации ( поляризации - в, г ) ПК, 3 - электрического пробоя ПК. Период колебаний - 0,1 мкс. ограничивается электрическим пробоем ПК, отмеченного на кривых v (t) резким спадом напряжения в момент времени tnp . На рисунке 6 в,г приведены типичные осциллограммы токов и напряжений пробитых по объему неполяризованной ( в ) и деполяризованной нагревом выше температуры Кюри ( г ) образцов сегнетокерамики. Сравнение осциллограмм поляризованных и неполяризованных образцов показывает, что если в переполяризущем направлении электрическое поле в ПК за время переключения поляризации практически остается величиной постоянной, то в случае неполяризованной сегнетокерамики электрическое поле в образце постепенно растет. При этом осциллограммы напряжений для образцов, предварительно деполяризованных нагревом выше температуры Кюри, отличаются более резким изменением поля за время поляризации и относительно высокими значениями Бпр (см. рис. 6 г ). Сравнение осциллограмм на рисунке 6 также показывает, что осциллограммы тока и напряжения неполяризованной сегнетокерамики по внешнему виду занимают промежуточное положение между осциллограммами тока и напряжения ПК в поляризующем и переполяризуицем направлениях.
Для сравнения с осциллограммами напряжения и тока пробоя ПК в быстронарастащем электрическом поле, на рисунке 7 приведены соответствующие осциллограммы в случае, когда вместо пьезоэлемен-та использовалась линейная емкость. Как видно из приведенных осциллограмм, отсутствие процессов поляризации ( переполяризации ) приводит к тому, что значения тока и напряжения в этом случав практически совпадают с расчитанными значениями по формуле ( 2 -3 ).
Схематическое изображение осциллограмм напряжения и тока пробившейся по объему пьезокерамики в переполяризувдем электрическом поле показано на рисунке 8. По осциллограммам напряжения в соответствии с [эь] определялись характерные времена
Закономерности поверхностного пробоя в быстронарастающем электрическом поле
Исследования особенностей поверхностного пробоя ПК в быотро-нарастащем электрическом поле проводились по следущим основным направлениям:
а) определение зависимости поверхностной электрической проч ности Е пр от скорости нарастания поля Е ;
б) выявление зависимости t up от давления воздуха и темпе ратуры на образцах разных составов и разных геометрических разме ров. При этом исходили из того, что поскольку поверхностный про бой отличается большой чувствительностью к изменению параметров окружающей среды - давления и температуры, которыми легко можно управлять в эксперименте, то появляется возможность проанализиро вать влияние материала ПК на развитие разряда при различных внеш них воздействиях. Такие эксперименты должны оказаться весьма ин формативными и для выяснения механизма объемного пробоя ПК,
По результатам обработки осциллограмм пробившихся по поверх ности образцов ПК ЦТС-І9, ПКР-І и ПКР-7М построены графики зави симостей ЕпР tEc="f(E7T) т В пр= f(Pfd) ( см. ри сунки 25-29 ). Анализ приведенных зависимостей позволил выя вить следующие закономерности исследуемого явления:
1. По аналогии с объемным пробоем, динамическая поверхностей ная электрическая прочность ПК top при атмосферных давлениях воздуха зависит от ориентации вектора остаточной поляризации Рг во внешнем электрическом поле : пр в поляризующем (PgftE ) поле выше, чем в переполяризующем (Ps N Е ). Напряженность по ля пробоя неполяризованных образцов ниже, чем поляризованных в поляризующем поле.
2. На формирование поверхностного пробоя ПК в переполяризующем направлении сильное влияние оказывает переключение поляризации. Как правило; при атмосферных давлениях воздуха пробой Ж возникает на пологой части импульса напряжения, вызванной интенсивной перестройкой доменной структуры ( см. рисунок 24 б). В этом случав пробивная прочность определяется наряду с другими фактора-ми динамическим коэрцитивным полем tc , в поляризующем направлении осциллограммы напряжения поверхностного пробоя аналогичны осциллограммам объемного пробоя Ж ( сравни рисунок 24а с рисунком 6 а).
3. Измерения Епр , Ес = г (Е) в диапазоне Е = 0,1 - 20 кВ/мм»мкс ( рисунок 25 ) показали, что с уменьшением скорости нарастания поля Е уменьшается ж Епр , следуя за уменьшением с . Так как уменьшение Е вызвано увеличением податливости доменов к внешним воздействиям вследствие ослабления локальных упругих напряжений в образце ПК и при этом уменьшается динамическая по Р верхностная электрическая прочность с пр , то можно предположить прямую зависимость последней от степени переключения поляризации в Ж в условиях испытаний.
4. Температурные измерения поверхностной электрической проч іс It ности Епр и коэрцитивного поля с , выполненные в переполяри-зующем поле при В - 18 ± 2 кВ/мм»мкс ( рисунок 26 ) , факти-чески показывают, что величина tnp Ж в этом случае определяет-ся величиной tc и равна ей. Это служит еще одним доказательством сильного влияния переключения доменов в Ж, которое начинается как раз при достижении электрическим полем в Ж величины
Сравнение зависимостей Enp = f(T) .6=f(T) на ри-сунках 26 и 10 при одной и той же скорости нарастания поля Е в поляризующем направлении указывает на то, что незначительное сни г женив tnp с ростом температуры являв тоя следствием некоторого с повышения о при приближении к температуре Кюри.
5 Для определения области давлений воздуха, в которой переключение поляризации влияет на формирование поверхностного пробоя ПК, проведены исследования зависимости t пр от давления при постоянной скорости нарастания поля. Как видно из рисунков 27-29, если в поляризующем поле при увеличении давления воздуха Епр возрастает, хотя и несколько слабее, чем при пробое воздушных промежутков, то в переполяризукщем поле существует некоторая об ласть ( выше 0,5 10 Па ), в которой рост давления не сопровожда
Графики зависимостей Епр = / (Р) в переполяризующем направлении, по-существу, отражают нарушение закона Пашена для электрического разряда по поверхности ПК.
Время полного переключения поляризации tnep , очевидно, не зависит от давления воздуха или другой газовой среды, окружающей исследуемый образец ПК, и является константой при данной скорости нарастания поля. Наоборот, время формирования поверхностного пробоя ісрорм в газе зависит от давления в нем: оно растет с увеличением Р . Измерения t poPM в интересущей нас области давлении показывают, что tcpop» не превышает времени tnep , то есть имеет место условие Ьсрорн tnep Такая ситуация означает, что в течение всего времени формирования пробоя в ПК происходит переключение поляризации, которое хорошо видно на рисунке 24 б.
При дальнейшем увеличении давления случай (Р2 U Ё ) переходит в случай ( Pg II Е ), так как условие Ьсрорм tnep переходит в условие tcpop tnep вВ этш слухає щ успевает полностью переполяризоваться до формирования пробоя, так что образец Ж оказывается под воздействием поляризующего поля. При этом лр превышает be f что наглядно иллюстрируют осциллограммы на рисунке 24 в и графики на рисунке 27. Подчеркнем полную идентичность осциллограмм объемного ( см. рисунок 66 ) и поверхностного ( рисунок 246 ) пробоя ПК в переполяризущем направлении, что, по-видимому, указывает на общность предпробивных процессов в ПК как при объемном, так и при поверхностном пробое. р 6. При низких давлениях воздуха ( меньше 10 Па ) существует вторая область, в которой Ьпр в переполяризушцем направлении ог раничена величиной t с # в области давлений между 10е Па и 0,5« I05 Па динамическая поверхностная электрическая прочность Е"Р Р с меньше динамического коэрцитивного поля tc , вследствие чего Ьпр не зависит от ориентации вектора остаточной поляризации Рг во внешнем электрическом поле it Указанная область давлений зави-сит не только от скорости нарастания поля и геометрии образца, но и от состава ПК.
Расчет напряженности поля поверхностного пробоя пьезокерамики в быстронарастащем электрическом поле
В предыдущем параграфе показано, что напряженность поля поверхностного пробоя неполяризованных образцов пьезокерамики принимает значения, промежуточные между значениями Епр ПК в поляризующем и переполяризущем направлениях в случае поляризованных образцов.
Для изучения закономерностей пробоя неполяризованных образцов ПК и их сравнения с закономерностями пробоя поляризованных образцов проведены исследования зависимостей Епр — f (РД Ё)в статических и импульсных электрических полях. На рисунке 32 приведены зависимости Епр от давления воздуха в статических полях для образцов ЦТС размерами 7x7x7 мм3. Как видно из рисунка напряженность поля пробоя при поверхностном пробое растет несколько слабее с ростом давления ( кривые I - 5 ), чем в случае обычного пробоя воздуха ( кривая 6 ). Зависимости Епр = / (Р) в статическом режиме испытаний отличаются от тех же зависимостей для ПК в динамическом режиме в переполяризущих электрических полях.
Как было показано выше, поверхностная электрическая прочность ПК в быстронарастащих электрических полях при антипарал г лельном включении поля практически равна коэрцитивному полю сс .
Это позволяло надеяться на корреляцию между Епр и Не ив статических полях. Однако данные таблицы 9 показывают, что Епр в статических полях, в отличие от импульсных, зависит не только от величины Ее , но и от величины внутреннего поля Ев , то есть Епр является функцией некоторого порогового поля, являющегося суммой коэрцитивного Ее и внутреннего Ев, полей. Это означает, что электрическая прочность исследованных составов в значительной мере связана с сегнетожесткостью материала, характеризующей степень устойчивости метастабильного упорядоченого полярного состояния. В то же время из таблицы 9 вытекает, что у сегнетокерамик системы ЦТС отсутствует непосредственная зависимость Епр от 8 , измеренной в слабых электрических полях, что не согласуется с предположениями, выдвинутыми в [19, 33, 81] относительно связи электрической прочности и диэлектрической проницаемости. Эти результаты указывают на то, что закономерности поверхностного пробоя сегнетоэлектриков в статических полях, также как и закономерности пробоя в импульсных полях, невозможно объяснить без учета нелинейных свойств этих материалов.
Температурные измерения напряженности поля поверхностного пробоя сегнетокерамики подтверждают вывод о том, что Епр непо Измерения коэрцитивного Ее и внутреннего Е& доля на промышленной частоте осциллографическим методом проведены младшим научным сотрудником отдела пьезоматериалов и преобразователей НИИ физики при РТУ Приходьковым А.В. с участием автора работы. ляризованных образцов не является однозначной функцией & . Как известно, диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков с приближением к температуре фазового перехода при нагревании испытывает экстремальную нелинейность. Следуя этому, в указанной области температур можно ожидать минимального значения Епр , соответствующее пику диэлектрической проницаемости. Однако измерения Епр , проведенные на образцах ЦТС в интервале температур 270 - 470 К, показали ( см, рисунок 33 ) отсутствие резкого уменьшения электрической прочности с увеличением температуры. Из рисунков 32 и 33, кроме того, видна одна и та же закономерность: чем выше пороговое поле сегнетокерамики, тем выше и ее электрическая прочность Епр
Для более подробного изучения поведения сегнетокерамики в области Тс исследовались образцы сегнетокерамики с относительно низкой температурой Кюри - твердые растворы BaCSgTO 03 » У которых Тс составляет 393 К и ниже. Это позволяло разделить эффекты, не связанные с сегнетоэлектрическим состоянием, но способные повлиять на величину Епр # Варьируя состав Ba(SgTO03 при одной и той же температуре можно было получить образцы с разными значениями Измерения Епр проводились в статических и импульсных электрических полях в температурном диапазоне 290 - 410 К. В ходе исследований в статическом режиме установлено, что маломенявдее-ся в тетрагональной фазе титаната бария значение Епр при приближении к Тс возрастает ( см, рисунок 34 ), Здесь эффект увеличения Епр о приближением к Тс проявляется более ярче, чем при изучении температурной зависимости поверхностного пробоя образцов ЦТС. В твердых растворах Ва (SsTO 03 при увеличении содержания стронция температурный участок повышенных значений
Епр смещается в сторону низких температур. При переходе от статических к импульсным полям зарегистрировано снижение Епр во всем температурном интервале измерений и при этом максимум на кривой температурной зависимости Епр- исчезает ( рисунок 35 ). Как и в случае объемного пробоя, при поверхностном пробое образцов в импульсных полях не обнаружено аномалии Е пр вблизи Тс .
Таким образом, в импульсных электрических полях неполяризо-ванные образцы сегнетокерамики ведут себя с увеличением температуры подобно поляризованным образцам ПК в переполяризуицем направлении, а в статических полях - подобно поляризованным образцам ПК в поляризующем направлении. Увеличение Епр неполяризо-ванных образцов в статических полях, по-видимому, обусловлено медленными поляризационными процессами, поскольку фактор времени при этом не ограничен. Эти результаты подтверждают общее замечание о том, что ответственными за относительно низкие значения поверхностной электрической прочности сегнетоэлектриков в импульсных полях являются процессы, связанные с перестройкой доменной структуры в сильных электрических полях.
