Исследование разрушения сегнетокерамики при одновременном действии электрического поля и механических напряжений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

на правах рукописи

Коренева Вера Викторовна

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ СЕГНЕТОКЕРАМИКИ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

01.04.04 - Физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

6 НОЯ 2014

Волгоград-2014

005554297

005554297

Работа выполнена на кафедре «Физики» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ВолгГАСУ»).

Научный руководитель доктор физико-математических наук, доцент

Жога Лев Викторович.

Официальные оппоненты: Лебедев Николай Геннадьевич,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Волгоградский государственный университет», кафедра теоретической физики и волновых процессов, профессор;

Николаев Владимир Иванович,

кандидат физико-математических наук, ФГБУН «Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе» Российской академии наук, старший научный сотрудник.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный

социально-педагогический университет», г. Волгоград.

Защита состоится 18 декабря 2014 в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградском государственном техническом университете» по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.vstu.ru Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «о?/» ОМТ^рЛ. 20141

Ученый секретарь

диссертационного совета / Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сегнетоэлектрические материалы находят широкое применение в гидроакустике, оптике, радио- и измерительной технике, в запоминающих устройствах и в других областях современной техники [1,2].

В зависимости от внешних факторов условия работы пьезокерамик могут быть разнообразными, в том числе и такими, при которых в образце начинаются необратимые процессы (переполяризация, деполяризация, электрический пробой и механическое разрушите).

При исследовании разрушения поликристаллических сегнетоэлектриков (СЭ) [3-8] использовалась модель образца, содержащего включения (зерна) в матрицу (образец с усредненными физическими свойствами). Деформации, индуцированные при включении внешнего электрического поля (ЭП), создают механические напряжения внутри включения, которые могут приводить к образованию микротрещин, вследствие этого происходит концентрация ЭП внутри микротрещин. Развитию подобных эффектов способствуют также процессы переориентации в СЭ 90° доменов - механических двойников под влиянием ЭП или механических напряжений. Интерес вызывает определение относительного вклада элементарных механизмов в динамику доменных переориентации, которые приводят либо к релаксации напряжений [7], либо к развитию микротрещин [5].

Для исследования кинетики переключения поляризации в СЭ применяется метод анализа переходных токов, возникающих при приложении импульсов ЭП и содержащих информацию о закономерностях эволюции доменной структуры [1, 2, 9-13].

Степень разработанности темы исследования. Исследованию процессов поляризации и переполяризации сегнетокерамики (СК) посвящено весьма значительное число работ. Следует отдельно упомянуть работы Тополова В.Ю., Шура ВЛ., Шилыгакова А.В., Попова Э.С., Лучанинова А.Г., Галияровой Н.М., Ошига М., кЫЬавЫ У. и Нестерова В.Н.. По исследованию разрушения сегнстокерамик в ЭП или при механической нагрузке (МН) хорошо известны работы Слуцкера А.И., Шпейзмана В.В., Садыкова С.А., Феронова А.Д., Бондаренко Е.И., Крамарова С.О., Парииова И.А.. Однако систематическое изучение процессов разрушения СК при ступенчатом нагружении и с помощью компьютерного моделирования особенностей поведения поляризационных токов, в связи с движением доменных границ (ДГ) и перераспределением свободных зарядов при одновременном действии МН и ЭП, как нам известно из обзора литературы, практически отсутствует.

Целью настоящей работы является экспериментальное изучение и компьютерный анализ влияния электрического поля и механической нагрузки на эффекты связанные с кинетикой разрушения пьезосегнетокерамики (ПСК).

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих за;

дач:

1. Исследовать временные характеристики токов при приложении постоянных механических напряжений или постоянного ЭП и ступенчатого повышения напряженности ЭП или механических напряжений до разрушения образцов.

2. Изучить проявления кинетики разрушения ПСК при действии постоянных механических напряжений и ЭП и измерить кинетические кривые тока, с целью разделения механического разрушения в ЭП и электрического пробоя.

3. Предложить феноменологическую модель, позволяющую описывать измеренные временные изменения токов.

4. Провести модельное разделение вкладов переключения 180° и не 180° доменов в формирование пиков токов в процессе разрушения образцов.

5. Моделировать статистические закономерности релаксационных процессов в ПСК в постоянных электрических и механических полях.

6. Провести моделирование поляризационных шумов в ПСК.

Научная новизна. В диссертации впервые:

1. Экспериментально исследованы временные характеристики тока при исследовании кинетики разрушения ПСК при приложении постоянного ЭП и ступенчатого повышения механических напряжений и при приложении постоянных механических напряжений и ступенчатого повышения напряженности ЭП.

2. Экспериментально обнаружено появление всплесков тока до разрушения при выдержке образцов в постоянных электрическом и механическом полях.

3. Описана модель, позволяющая объяснять временные изменения токов при электромеханическом нагружении ПСК.

4. Проведено модельное разделение переключения 180° и не 180" доменов при формировании пиков токов.

5. С помощью компьютерного моделирования впервые исследованы статистические закономерности релаксации поляризации в предварительно заполяри-зованной СК.

6. Описаны корреляционные закономерности между импульсами поляризационных шумов.

Научная и практическая ценность работы. Компьютерное моделирование поведения тока при одновременном приложении ЭП и МН даст возможность прогнозировать поведение ПСК в рабочих условиях и предсказать момент разрушения, а так же изучить вклад движения различных доменных границ в ток и таким образом исследовать возможность механического разрушения ПСК в ЭП.

Объекты исследований. Поликристаллическая СК системы ЦТС (цирко-нат титанат свинца).

Достоверность полученных результатов обеспечивается выбором адекватных физических моделей, а также использованием в работе апробированных методик испытаний и современных, хорошо апробированных методов компьютерного моделирования, метода Рунге-Кутта для решения дифференциальных уравнений, строгим соблюдением пределов применимости используемых подходов. Непротиворечивость выводов исследования основным физическим закономерностям, предельный переход обобщающих результатов к ранее известным (частным) результатам и совпадением в отдельных случаях теоретических предсказаний с экспериментом так же говорят о достоверности полученных результатов.

Методология и методы исследования. Методологической и теоретической основой диссертационного исследования послужили труды зарубежных и

отечественных ученых в области изучения проблем поляризации и разрушения ПСК под действием ЭП или МН, проблемы появления шумовой компоненты тока в ПСК при приложении внешнего воздействия.

При проведении исследования были использованы экспериментальные (эксперимент, сравнение, моделирование) и теоретические (идеализации и формализации) методы. Моделирование поляризационных процессов проведено с учетом выбора параметров, отвечающих условиям экспериментального наблюдения.

Основные положения диссертации, выносимые па защиту.

1. Закономерность появления пиков тока в процессе разрушения ПСК в электрических и механических полях при ступенчатом нагружении.

2. Компьютерный качественный и количественный анализ формирования пиков тока и вклада поляризации в изменение тока при электромеханическом ступенчатом воздействии.

3. Анализ поляризационного шума ПСК методом фликкер-шумовой спектроскопии для экспериментальных и смоделированных зависимостей токов, показывает возможность описывать закономерности поведения токов, при ступенчатом электрическом, механическом и электромеханическом воздействии.

4. С помощью компьютерного моделирования исследованы статистические закономерности релаксации поляризации в предварительно заполяризован-ной СК. Их анализ позволил выявить некоторые статистические закономерности:

- временная зависимость средпего значения поляризации керамического образца подчиняется экспоненциальному закону,

- временная зависимость дисперсии распределения значений поляризации керамического образца подчиняется степенному закону,

- временная зависимость коэффициента асимметрии распределения значений поляризации керамического образца подчиняется экспоненциальному закону, причем время релаксации в последнем случае более чем в два раза больше чем время релаксации среднего значения поляризации.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы обсуждались на конференциях (семинарах), проводимых на кафедре физики Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, докладывались на: У1-УШ международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2009-2011). XVI Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Волгоград, 2010). XXII международной научной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 2010). Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2010, 2012). Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Москва, 2011, Красноярск, 2014). XIX, XX Юбилейных Петербургских Чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2010, 2012), I Международном симпозиуме: «Бессвинцовая сегнетокерамика и родственные материалы: получение, свойства, применение (ретроспектива - современность -прогнозирование)» (Сочи, 2012). Международной конференции, посвященной 60-летию образования вуза «Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство» (Волгоград, 2012).

По итогам XVI Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых представленный доклад отмечен дипломом за лучший научный доклад среди аспирантов.

Публикации. Основные результаты опубликованы в следующих рецензируемых ВАК РФ журналах: «Электромагнитные волны и электронные системы», «Нелинейный мир», «Известия Волгоградского государственного технического университета». «Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета», а также в сборниках тезисов конференций. Всего — 21 печатная работа (из них 7 статей в журналах, рекомендуемых ВАК).

Соответствие паспорту научной специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 01.04.04 — «Физическая электроника», а именно: пункту 2. «Твердотельная электроника, в том числе СВЧ -электроника, полупроводниковая электроника, акустоэлектроника, сверхпроводниковая электроника, спиновая электроника, оптоэлектроника, криоэлектрони-ка»; пункту 4. «Физические явления в твердотельных микро- и наноструктурах, молекулярных структурах и кластерах; проводящих, полупроводниковых и тонких диэлектрических пленках и покрытиях».

Личный вклад автора. Диссертантом обработаны все экспериментальные результаты [1-21] с помощью самостоятельно написанных программ, как для моделирования токов в ПСК [1-3, 5-12, 14,17-21], так и для исследования фликкер-шумов в токах поляризации [5, 8, 11, 14, 15]. Постановка задачи исследования была сформулирована научным руководителем доктором физико-математических наук JI.B. Жогой. Анализ и обобщение данных, а также формулировка задач и выводов, касающихся содержания работы, осуществлены совместно с научным руководителем при участии кандидата физико-математических наук, доцента кафедры физики Нестерова В.Н.. Соавторы совместных публикаций (М.И. Дмитрук, A.B. Габриэлян) принимали участие в обсуждении результатов соответствующих разделов работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, списка цитированной литературы и трех приложений. Общий объем составляет 158 страниц, из них непосредственно текст изложен на 118 стр., включая 52 рисунка и 17 таблиц. Список цитированной литературы содержит 246 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, обоснован выбор объектов исследования, показаны научная новизна и практическая ценность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, дано краткое содержание глав диссертации.

В первой главе обобщены и систематизированы литературные данные, характеризующие современное состояние проблемы [1,3-6,9].

Разрушение при ступенчатом повышении ЭП можно рассматривать с двух позиций:

1. Локальное напряжение при приложении ЭП к ПСК создается в тех же дефектных местах, что и при МН. Дефектные места имеют электромеханические

характеристики, отличающиеся от характеристик окружающего материала, поэтому в них могут возникнуть локальные напряжения растяжения [4,7].

2. Механизм пробоя при низких температурах в постоянном ЭП - переход инжектированных электронов из ловушки в ловушку, т.е. туннельный (подбарь-ерный) переход. Прыжковый транспорт электронов по полю ведет к формированию критических объемных зарядов, вызывающих пробой диэлектриков [14].

Вторая глава посвящена изложению методики моделирования переходных токов, возникающих при одновременном приложении ЭП и МН в ПСК при ступенчатом нагружении. При ступенчатом нагружении ток утечки моделировался суммой омической и поляризационной составляющей [9].

При феноменологическом подходе считается, что поляризованное состояние СК однозначно определяется вектором остаточной поляризации и тензором остаточной деформации, а поведение при различных условиях нагружения разнообразно [2]. При больших нагрузках моделирование нелинейных зависимостей между ЭП и МН с одной стороны, и поляризацией и деформацией, с другой, относится к разделу реологических моделей [2].

Плотность тока при изменении поляризации ПСК можно описать системой уравнений:

(!)

Г2Р2 + Рг = агЕ + Рг<* (2)

} = Р\+Рг > (3)

где параметры г,, т2 могут зависеть от изменения доменной структуры и ее взаимодействия с дефектами, ах, аг и рг определяются геометрией взаимного расположения векторов напряжешюстей ЭП Е, компонентов тензора механических напряжений с^и и направлений векторов спонтанной поляризации Рь. в доменах; ] — плотность тока при изменении поляризации. В модели используются усредненные по всем кристаллитам величины. Компоненты вектора Ё и тензора напряжений определяются прикладываемым воздействием к образцу.

Зависимость />(/) получали при интегрировании дифференциальных уравнений (1,2) методами Рунге-Кутта.

В модели (1-3) две составляющие поляризации: упругая и пластическая (необратимая). Учтя результаты работ [10, 11], изменения поляризации после внешнего воздействия ЭП можно объяснить движением доменных и межфазных границ:

^пф+Ьг^Я , (4)

где ^ — эффективный коэффициент сухого трения, к — эффективный коэффициент квазиупругой силы, ли лг, - средние смещение и скорость доменной границы, соответственно, - спонтанная поляризация образца, Е — напряженность ЭП.

Анализ изменения поляризации с помощью уравнений (1-3) не учитывает токи проводимости при постоянной нагрузке. Учет влияния токов проводимости на изменение поляризации во времени можно провести, записав уравнения возникновения зарядов на электродах [12] и рассматривая изменение заряда при

движении ДГ [10,11].

При воздействии на образец на электродах возникает заряд [12]:

t t

Q = Lx2Ps + Lx\JcKdt + Lx\jrdt , (5),

о a

где Ps - спонтанная поляризация, jCK — плотность тока сквозной проводимости, протекающего по диэлектрику под воздействием постоянного напряжения и обусловленного наличием в диэлектриках свободных носителей заряда различной природы, jr — плотность тока, связанная с эмиссией носителей зарядов с глубоких ловушек.

Обозначив L,d— ширина и высота доменной области соответственно и учитывая связь Q—pS — pLd и уравнение (4) полученное в [11,10]

Получаем уравнение изменения поляризации:

Fd ы ,„ „

-;-;-Pi +-;-;-Pi =2PSE=>

2PS + \l„dt + \jrdt 2 Ps +]j„dt + jjrdt

0 0 0 0 f/r\

(> ' ) ( ) 4i>sJ+2/>s \jctdl + \,rdi\

FPx + ЬЧ--^-i-J.s

г

Задавая время релаксации, как г, = — и коэффициент

к

4Ps1+2pJ]j„dt + \j,d,

-Ц=—— • <7>

ка

уравнение (6) приобретает вид:

TiPi+Pi=<*iE . (8)

При приложении МН к образцу происходит деформация зерен ПСК, при этом возникают дополнительные локальные механические напряжения в местах соприкосновения зерен. При прохождении таких мест 90° ДГ испытывают дополнительное сопротивление, что приводит к локальным изменениям потенциального профиля [6]. Такие механизмы рассмотрены в [13] и для движения ДГ:

sgn(i)+far = or,, us ст4И + аг2, 2PS Е , (9)

где us и сту — спонтанная деформация и механическое напряжение соответственно, коэффициент ап определяется геометрией механического напряжения и спонтанной деформации, коэффициент аг1 зависит от взаимной ориентации векторов напряженности ЭП и вектора спонтанной поляризации [13].

Учитывая связь заряда и поляризации из (9) получаем уравнение изменения поляризации при приложении МН:

т2р2 + р2 = а2Е + р2<т . (10)

Исследована зависимость изменения коэффициентов модели (al,a1,Ti,z1,p1) от вида нагружения. Нелинейпость тока в ПСК обусловлена зависимостью коэффициентов модели аиа2,р2 от тока сквозной проводимости и тока, связанного с эмиссией зарядов из ловушек. Коэффициенты позволяют связать поляризацию с движением ДГ.

В третьей главе рассматриваются проявления кинетики разрушения ПСК в виде различных экспериментальных зависимостей токов, полученных как при приложении только механического, или только электрического поля, так и при электромеханическом воздействии с учетом приложения нагрузки вдоль и против вектора остаточной поляризации.

Проведены компьютерные расчеты зависимости тока от времени, согласно модели по уравнениям (13). Полученные теоретические зависимости воспроизводят основные особенности экспериментальных данных токов, наблюдаемых при последовательном приложении электрической, механической или электромеханической нагрузки на образцы.

На рисунке 1 приведены экспериментальные данные показывающие, что возникают импульсы тока при подаче ЭП и МН как без разрушения образца, так и в момент разрушения, но появление импульсов тока при постоянной внешней нагрузке является подтверждением процесса развивающегося во времени. Причем развитие этого процесса зависит от того поляризующее это поле или переполяризующее.

На рисунке 2 приведены кинетические кривые тока для керамики при приложении внешней нагрузки

Рисунок 1 - Проявление кинетики разрушения ПСК (между Ь и и импульс при постоянной нагрузке). Прикладывается нагрузка Е-сопи1 в момент времени ¡1 и ступенчатая МН в моменты времени ь и и. На врезке (увеличен масштаб) вид импульсов тока в момент временит и 1з. В момент 1з образец разрушился.

-прожив поля

Н> 55 бУ 65

Рисунок 2 - Эффективный ток в цепи при Е-2МВ/м на образце (остаточная поляризация вдоль и против ЭП).

Е = 2 МВ/м против и по направлению остаточной поляризации. Отметим, что в переполяризующем поле токи выше.

На рисунке 3 приведены диаграммы нормированных значений токов, полученные экспериментально. В эксперименте (рис. За) к образцу прикладывают ЭП напряженностью Е = 1МВ/м; через /=2с добавляют МН а = бМПа, с повышением через 5с до а = 11МПа и с последующим повышением ЭП до Е = 1,5МВ/м через 5с. В результате эксперимента образец разрушился после повышения ЭП в момент Г2. В эксперименте (рис. 36) к образцу прикладывают ЭП напряженностью £=2МВ/м в момент времени I, и МН а = 16МПа в момент времени и. Образец разрушился после приложения МН.

Из рисунка 3 видно, что вид зависимости тока от времени практически не отличается как при разрушении в момент приложения ЭП (рис. 3 а), так и при разрушении в момент приложения МН (рис. 3 б). Можно предположить, что реализуется один механизм разрушение ПСК.

-0,2 ^

Рисунок 3 - Диаграмма нормированных значений переходного тока до разрушения образцов (второй пик): (а)-после увеличения ЭП, (б)-после увеличения МН. Используемая модель позволяет произвести более глубокий анализ физических процессов, например, разделение вкладов в плотность тока (3) от воздействия ЭП (/>,) и от изменения МН (/>2) (см. рисунок 4).

а б

Рг/1тах

0,8 -

i t,c

it,c

0 20 40 60 80 100 -0.2 Рисунок 4 - Разделение вкладов (а, в - р^; б, г - рг) в общий ток от переключения ДГ при схеме нагружения - ЭП +ЭП (рис.За): и ЭП+МН (рис.Зб).

Можно отметить, что вклад в процесс изменения поляризации при электрической или при механической нагрузке при ступенчатом нагружении до разрушения различен (см. коэффициенты в табл.1).

В четвертой главе рассматривается поляризационный шум, возникающий в ПСК как при электромеханическом воздействии, так и при ступенчатом изменении внешнего механического поля. Изучение явления поляризационного шума в СК проводится с помощью метода фликкер-шумовой спектроскопии (ФШС) [15]. Предлагается анализировать спектр мощности (фурье-преобразование) S(f) (f — частота). Информация, извлекаемая из анализа зависимости S(f), построенная на основе временных рядов i(t), имеет смысл времени корреляций или параметра, ха-

растеризующего потерю «памяти» (корреляционных связей) для рассматриваемых нерегулярностей.

Таблица ¡.Коэффициентыуравнений(1-3)

интервал интервал интервал

Коэф-ты от и до к от 1г до /3 от Ь до к

Рис. За Рис. 36 Рис. За Рис. 36 Рис. За Рис. 36

г,, с 3,6 1,58 4,2 6,92 3,6 1,68

т2,с 288 163,5 95 114 108 115

аи нФ/м 64,4 50 52,8 18 62 50

а2. нФ/м 3,1 182 3160 38 3360 150

Д, пм2/!^ 1.29 - 1,29 150 1,29 150

Частотная зависимость спектральной плотности мощности шума имеет вид 1//п, где и — некоторая постоянная, близкая к единице (в опытах и=0,8 после излома, при моделировании и=0,79 после излома) (рис. 5). Значение п до излома для экспериментальных данных и=3,22, и при моделировании и=3,19. По полученным данным построены линии тренда до и после излома (рис. 5). Появление скачков тока вызвано кинетическими процессами перестройки доменной структуры и появлению фликкер-шума [15].

Сравнение полученных спектров показывает возможность модели, связанной с движением доменных границ, описывать экспериментальные закономерности поведения токов и появлении скачков, при ступенчатом механическом и электромеханическом воздействии.

В приложении А и Б представлены таблицы значений коэффициентов модели, полученных при моделировании результатов экспериментов, описанных в главе 3 и таблицы значений параметров ПСК, полученных при расчете с помощью коэффициентов модели соответственно.

В приложении В приведены результаты компьютерного моделирования процесса релаксации поляризации в рамках двухмерной модели Ишибаши [8]. В модели учитывалось, что в объеме СЭ существуют точечные центры зародыше-образований, имеющие постоянный дипольный момент. Первоначальное состояние принималось как полностью заполяризованное.

В результате статистической обработки, получены временные зависимости статистических характеристик релаксации поляризации в предварительно заполя-ризованной СК (рис. 6-9).

1оВ5(/)

1.5 1

1 \

0,5 ■

0 -

-0.5 ■

-1 ■

-и ■

-2 ■

-1-1-1-.1

-2 -1.5 -1 -0,5 0 Рисунок 5 - Спеюр частот тока эксперимента. Уравнения линии тренда до юло-

мау=-ЗД158х-4,4728 и после излома ^=-0,7989^-1,6843 Значение п до излома в опытах п=3,22, после излома и=0,8.

D, (мкЕЛ'СЧ ')' 5-10-» 4-10"

3-10" 2-10' МО"

i—14-

Рисунок 6 - Временная зависимость среднего значения поляризации. Аппроксимирующая функция />(|)=Лехр(-г/г)+(7,/4=7,03, г=5,81, С=17,90.

О 2 4 б 8 10 Рисунок 7 - Временная зависимость дисперсии значений релаксации поляризации. Аппроксимирующая функция р(/)~ А1"+С, /1=7,50x10-", п =1,74,0^1,76х1016. Р\мхА-см~2 1.4 -,

~г

0 2 4 6 8 Рисунок 8 - Временная зависимость коэффици- Рисунок 9 - Скорость изменения среднего ента асимметрии распределения значений по- значения поляризации. Аппроксимирующая

ляризации. Аппроксимирующая функция функция p(l)= Aexp(-t/r), Л =-1,21, г=5,81. р(,)=Асхр(-1/т)+С,Л=0,91, т<=12,97,00,11.

Основные результаты исследования

1. Получены экспериментально временные характеристики токов при электрическом и механическом нагружении, ступенчатом повышении МН для образцов, находящихся в постоянном ЭП и ступенчатом повышении ЭП для образцов, находящихся в постоянном МП. Предложенная методика нагружения позволила увеличить вероятность задержанного разрушения образцов и показать их взаимосвязь при разрушении сегнетокерамики.

2. Кинетика процесса разрушения образцов ПСК проявляется в появлении импульсов тока при выдержке под постоянной внешней нагрузкой (ЭП+МН).

3. Вид кинетической кривой тока при механическом разрушении отличается от полученного при электрическом пробое. При электрическом пробое ток всегда растет, а при механическом разрушении (в ЭП) ниже критического напряжения ток растет, а выше — уменьшается.

4. Ввд кинетической кривой тока зависит от полярности приложенного напряжения.

5. При механическом и электрическом нагружении образцов определен основной вклад в величину тока переключения не 180° доменных границ, которые должны ускорить разрушение образца из-за повышения внутренних механических напряжений.

6. Показана связь изменения коэффициентов {oti,a1,r-i,z1,ß1) модели с изменениями вида переходного тока, зависящего от внешних воздействий.

7. Обнаружено, что при механическом нагружении возникает не только связанный заряд, как следствие пьезоэффекта, но и свободный заряд, как результат перестройки доменной структуры связанной с дислокациями.

8. Сравнение полученных экспериментально и моделированием спектров шумов токов подтверждает возможность использования предложенной модели, связанной с движением доменных границ.

9. Получены статистические закономерности релаксации поляризации в предварительно заполяризованной CK. Эти закономерности обусловлены с одной стороны уменьшением потенциальной энергии взаимодействия полярных областей, и, с другой стороны, возрастанием разупорядочености системы, т.е. возрастанием энтропии системы.

В качестве рекомендации к дальнейшей разработке темы можно предложить включение в модель сил типа вязкого трения, а так же возможность анализировать особенности взаимодействия и механизмы срыва доменных границ с точечных дефектов по временной зависимости тока переключения при воздействии П-импульсного электрического поля, приводящего к разрушению.

Список цитируемой литературы

1.Воротилов, К.А. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства [Монография] / КЛ. Воротилов, В.М. Мухортов, A.C. Сигов, под ред. чл. корр. РАН A.C.Сигова.-М.: Энергоатомиздат,2011.- 175 с.

2. Белоконь, A.B. Математическое моделирование необратимых процессов поляризации / A.B. Белоконь, A.C. Скалиух. - М.: ФИЗМАТЛЛИТ, 2010. - 328 с.

3. Ткач, Я.Ю. Численное моделирование процессов в сегнетоэлектрической керамике, нагруженной ударной волной / Я.Ю. Ткач // Электромагнитные явления. -2001. - Т. 2, № 2 (6). - С. 213-223.

4. 'Гополов, В.Ю. Электромеханические эффекты в гетерогенных сегнетоэлекгри-ках и родственных материалах: автореф. дисс. докг. физ-.мат. наук. РГУ, Ростов-на-Дону, 2000, - 38 с.

5. Регель, В.Р. Кинетическая природа прочности твердых тел / В.Р. Регель, А.И. Слуцкер, Э.Е. Томашевский. -М.: Наука, 1974. - 246 с.

6. Жога, JI.B. Кинетика хрупкого разрушения материалов в электрических и механических полях: монография / JI.B. Жога, В.В. Шпейзман. - Волгоград : ВолгГА-СУ, 2008. - 198 с. - ISBN 978-5-98276-208-5.

7. Бондаренко, Е.И. Внутренние механические папряжения и электрический пробой поликристаллического титаната бария / Е.И. Бондаренко, В.Ю. Тополов, JI.B. Турик // ЖТФ. - 1992. - Т. 62. - № 12. - С. 155-158.

8. Omura, М. Simulations of Polarization Reversals by a Two-Dimensional Lattice Model / M. Omura, H. Adachi, Y. Ishibashi // Jpn. J. Appl. Phys. - 1992. - T. 31. - C. 3238-3240.

9. Подгорный, Ю.В. Токи утечки в тонких сегнетоэлектрических пленках / Ю.В.Подгорный, К.А. Воротилов, A.C. Сигов // ФТТ. - 2012. - Т. 54, В. 5. - С. 859-862.

10. Шильников, A.B. Некоторые диэлектрические свойства полидоменных монокристаллов сегнетовой соли, триглицинсульфата и дигидрофосфата калия: авто-реф. дис. канд. физ. - мат. наук. ВПИ. Воронеж, 1972 - 19с.

11.Nesterov, V.N. The computer analysis of dynamics of domain boundaries in ferro-electrics-Ferroelastics / Nesterov V.N., Shil'nikov A.V. // Ferroelectrics, 2002. - №265. -C. 153-159.

12. Шут, B.H. Сегнетоэлектрики с градиентом состава: о природе смещения петель гистерезиса / В.Н. Шут // ФТТ. - 2013. - Т. 55, В. 7. - С. 1339-1342.

13. Нестеров, В.Н. Абсорбционный ток в нагруженной сегнетокерамике / В.Н. Нестеров, И.В. Кочергин, Л.В. Жога // ФТТ. - 2009. -Т. 51, Вып. 7. - С. 1439-1441.

14. Слуцкер, А.И. Механизмы элементарных актов в кинетике электрического разрушения полимерных и керамических диэлектриков / А.И. Слуцкер, B.JI. Ги-ляров, Д.Д. Каров, Ю.И. Поликарпов // ФТТ. - 2011. - Т. 53, В. 7. - С. 1255-1260.

15. Тимашев, С.Ф. Фликкер-шумовая спектроскопия. Информация в хаотических сигналах / С.Ф. Тимашев. - Москва: Физматлит, 2007 - с 248.

16. Жога, JI.B. Релаксация в поликристаллической сегнетокерамике при одновременном действии механических напряжений и электрического поля / JI.B. Жога, М.И. Дмитрук, A.B. Габриэлян, И.Л. Жога, К.А. Захаров // Известия РАН. Серия физическая.-2011.-Т. 75,N 10.-С. 1479-1483.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Жога, Л.В. Статистические закономерности релаксации поляризации в предварительно заполяризованной сегнетокерамике / Л.В. Жога, В Л. Нестеров, ВВ. Те-рех // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь», вып. 5.: межвуз. сб. науч. ст.. - 2011. - № 6(79). - Вып. 5. - С. 51-55.

2. Жога, Л.В. Закономерности поведения поляризационных токов в сегнетокерамике при электромеханическом воздействии / Л.В. Жога, В Л. Нестеров, В.В. Терех, М.И. Дмитрук // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь», вып. 6.: межвуз. сб. науч. ст..-2012.-№6(79).-Вып. 5.-С.21-25.

3. Жога, В.В. Исследование токов поляризации при одновременном действии электрического поля и механических напряжений в сегнетокерамике методом компьютерного моделирования движения доменных стенок / В.В. Жога, Л.В. Жога, В Л. Нестеров, В.В. Терех, АЛ. Габриэлян // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2012. -№8(17). - С. 67-72.

4. Жога, В.В. Исследование скачков случайного характера, возникающих при электромеханическом нагружении сегнетокерамики / ВЛ. Жога, Л.В. Жога, В.Н. Нестеров, В .В. Терех, М.И. Дмитрук // Нелинейный мир. - 2012. - №9(10). - С. 585-590.

5. Жога, Л.В. Исследование поведения токов поляризации методом компьютерного моделирования движения доменных стенок / Л.В. Жога, В.Н. Нестеров, В Л. Терех, АЛ. Габриэлян // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь», вып. 7.: межвуз. сб. науч. ст.. -2013. -№ 3(106). -Вьщ.7. - С. 41-45.

6. Коренева, В.В. Поляризационные токи при электромеханическом воздействии на сегнетокерамику / В.В. Коренева, JI.B. Жога, Н.В. Нестеров, Е.М. Пиунов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия «Строительство и архитектура». -2013. -№33 (52). - С. 63-71.

7. Коренева, В.В. Модель движения доменных границ / В.В. Коренева, JI.B. Жога, Н.В. Нестеров, Е.М. Пиунов // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь», вып. 8.: межвуз. сб. науч. ст.. - 2013. - № 23(126). - Вып.8. - С. 33-37.

Статьи, свидетельства, материалы конференций и учебные пособия:

8. Жога, JI.B. Влияние механических напряжений на ток поляризации в структурах имеющих в своем составе не 180° доменные стенки / J1.B. Жога, В.Н. Нестеров, В.В. Терех, М.И. Дмитрук // Физико-математическое моделирование систем: материалы VI международного семинара, г. Воронеж, 27-28 ноября 2009 г. / ГОУ ВПО «ВГТУ». - Воронеж, 2009. - Ч. 1.- С. 115-118.

9. Жога, JI.B. Влияние механических напряжений на ток поляризации в структурах, имеющих в своем составе не 180° доменные стенки / JI.B. Жога, В.Н. Нестеров, В .В. Терех, М.И. Дмитрук// XIX Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные 130-летию со дня рождения академика АН УССР Н.Н. Давидеикова, г. Санкт-Петербург, 13-15 апреля 2010 г. - СПб. : Изд-во СПбГУ, 2010.-Ч. 2.-С. 328-330.

10. Терех, В.В. Поляризационный ток в сегнетокерамике при одновременном действии электрического поля и механических напряжений / В.В. Терех, ИЛ. Жога, В.Н. Нестеров, МЛ. Дмитрук // Шестнадцатая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, г. Волгоград, 22-29 апреля 2010 г. — Екатеринбург.: Изд-во АСФ России, 2010. - С. 228-230.

11. Терех, В.В. Разрушение поликристаллической сегнетокерамики в электрическом поле при ступенчатом механическом нагружении / В.В. Терех, ИЛ. Жога, В Л. Нестеров, МП. Дмитрук // Шестнадцатая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, г. Волгоград, 22-29 апреля 2010 г. -Екатеринбург.: Изд-во АСФ России, 2010. - С. 95-96.

12. Терех, В.В. Электрическая прочность механически нагруженной горячепрес-сованной сегнетокерамики при ступенчатом увеличении напряженности электрического поля / В.В. Терех, ИЛ. Жога, В Л. Нестеров, М.И. Дмитрук // Шестнадцатая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, г. Волгоград, 22-29 апреля 2010 г. - Екатеринбург.: Изд-во АСФ России, 2010. - С. 97-98.

13. Жога, JI.B. Поляризационный шум в сегнетоэлектриках. Компьютерное моделирование / JI.B. Жога, ВЛ. Нестеров, ВВ. Терех II Физико-математическое моделирование систем: материалы VII международного семинара, г. Воронеж, 26-27 ноября 2010 г. / ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». - Воронеж, 2010,- Ч. 1.- С. 35-40.

14. Жога, Л.В. Statistical patterns of polarization relaxation in pre-polarized ferroceram-ics / JIB. Жога, В Л. Нестеров, В.В. Терех // Релаксационные явления в твердых телах: тезисы докладов XXII международной научной конференции, г. Воронеж, 1418 сентября 2010 г. - Воронеж: Из-во Кварта, 2010,- С. 107-108.

15. Жога, Л.В. Моделирование скачков Баркгаузена при ступенчатом изменении внешнего механического поля в сегнетокерамике / Л.В. Жога, В.Н. Нестеров, В.В. Терех, М.И. Дмитрук, C.B. Баловнева // Физико-математическое моделирование систем: материалы VIII международного семинара, г. Воронеж, 26-27 ноября 2011 г. / ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет». - Воронеж, 2011 - Ч. I. - С. 35-42.

16. Жога, Л.В. Моделирование временного скейлинга токов сегнетокерамики / Л.В. Жога, В.Н. Нестеров, ВВ. Терех, М.И. Дмитрук // XIX Всероссийская конференция по физике сегнегоэлектриков: тезисы докладов, г. Москва, 20 - 23 апреля 2011 г. / МГТУ МИРЭА - ИРЭ РАН. - Москва, 2011. - С. 57-60.

17. Жога, Л.В. Моделирование движения доменных стенок при исследовании разрушения сегнетокерамики в электрическом и механическом полях / Л.В. Жога, В Л. Нестеров, ВВ. Терех, C.B. Баловнева // XX Юбилейные Петербургские Чтения по проблемам прочности, посвященные памяти профессора В.А.Лихачева, г. Санкт-Петербург, 10-12 апреля 2012 г. / Санкт-Петербургский государственный университет. - Санкт-Петербург, 2012.- Ч. 1. - С. 174-176.

18. Жога, Л.В. Переходный ток при переключении поляризации в керамике (Ko>sNao>s)(Nbi.xSb)03+0,5mol%Mn02 / ЛВ. Жога, ВВ. Терех, AB. Габриэлян // Бессвинцовая сегнетокерамика и родственные материалы: получение, свойства, применение (ретроспектива — современность — прогнозирование): материалы I международного симпозиума, г. Ростов-на-Дону, 3-7 сентября 2012 г. / НИИФ ЮФУ. - Ростов-на-Дону, 2012. - С. 52-54.

19. Жога, Л.В. Исследование переходных токов в сегнетокерамике при электромеханическом нагружении на основе модели движения доменпых стенок / ЛВ. Жога, В.Н. Нестеров, ВВ. Терех // Материалы международной конференции, посвященной 60-летию образования вуза, г. Волгоград, 18-19 сентября 2012г. / ВолгГАСУ. - Волгоград, 2012,- Ч. II. - С. 304-308

20. Жога, ЛВ. Переходный ток при переключении поляризации в бессвинцовой керамике (KO,5NaO,5)(Nbl-xSb)03+0,5mol%Mn02 И ЦТС Pb0,95Sr0,05(Zr0,53Ti0,47)O3+lmoI% Nb205 / ЛВ. Жога, В.В. Терех, A.B. Габриэлян // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: материалы международной научно-технической конференции «INTERMAT1C -2012», г. Москва, 3-7 декабря 2012 г. / МГТУ МИРЭА - ИРЭ РАН. - Москва, 2012,-4.3.-С. 51-54.

21. Кочергин, ИВ. Пробой или механическое разрушение сегнетокерамики при одновременном действии электрического поля и механический напряжений / И.В. Кочергин, Л.В. Жога, В.В. Терех // XX Всероссийская конференция по физике сегнегоэлектриков, г. Красноярск, 18 - 22 августа 2014 г. / ИФ СО РАН. - Красноярск, 2014.-С. 322-323.

Подписано в печать_. Формат 60x84 1/16..

Усл. п. л. 1,0. Печать офсетная. Бумага офсетная. Типография Издательства Волгоградского государственного социально-педагогического университета «Перемена». 400131, Волгоград, пр. им. В.ИЛенина, 27. Заказ №_. Тираж 100 экз.

Коренева Вера Викторовна

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ СЕГНЕТОКЕРАМИКИ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико - матиматических наук

Подписано в печать 10.10 2014 г. Формат 60 х 84Vi6. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Уч.изд. л. 1,0. Тираж ЮОэкз. Заказ 271.

Отпечатано с готового оригинал- макета в типографии издательства «Перемена» 400066, г. Волгоград, пр. В.И.Ленина, 27.