本發(fā)明涉及脈沖領域，具體為一種無鉛鐵電材料作為脈沖功率開關(guān)基材的應用及其鐵電開關(guān)，其是一種新型無鉛高性能鐵電開關(guān)。本發(fā)明中首次將na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷及其固溶體材料作為脈沖功率開關(guān)基材，用于鐵電開關(guān)中，并取得了較好的效果，具有較好的應用前景。
背景技術(shù)：
：脈沖功率技術(shù)是指慢慢把能量儲存起來，然后快速壓縮、轉(zhuǎn)換或直接釋放能量給負載的電物理技術(shù)。基于脈沖功率技術(shù)自身的優(yōu)點，其在等離子體物理與受控核聚變研究、高功率激光、大功率微波、電磁脈沖、電磁發(fā)射等工業(yè)領域有著廣泛的應用。近年來，各個先進國家的軍用和民用部門、高等院校等都在積極開展脈沖功率技術(shù)及其應用的研究。目前，高功率脈沖技術(shù)的發(fā)展方向主要包括如下三個方面：1)提高儲能密度，2)研制大功率轉(zhuǎn)換開關(guān)，3)產(chǎn)生高重頻的大功率脈沖。其中，開關(guān)元件的參數(shù)和特性對脈沖的上升時間、幅值等產(chǎn)生最直接、最敏感的影響，因此，開關(guān)元件在脈沖功率
技術(shù)領域：
占有特殊的地位。鐵電開關(guān)材料是一種在脈沖電壓或者脈沖激光激勵下，從鐵電體表面獲得很強的電脈沖的新型功能材料，其工作原理如圖1所示，其利用鐵電材料的電疇翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生高強度、高速度的脈沖信號。如圖1(a)所示，在極化的鐵電材料兩端加上反向的觸發(fā)電場，外加電場使得電疇翻轉(zhuǎn)，在外電路上形成脈沖大電流信號。如圖1(b)所示，開關(guān)工作完成后，其鐵電材料的電疇完全翻轉(zhuǎn)。圖1(c)則給出了開關(guān)信號和觸發(fā)信號的示意圖，測試電流的最大值為峰值電流，其上升前沿為響應時間。鐵電開關(guān)具高可靠、高穩(wěn)定、電流密度大和工藝簡單等優(yōu)勢，因而受到研究人員的廣泛關(guān)注。目前，工業(yè)上使用的鐵電開關(guān)大部分都是以鋯鈦酸鉛(簡稱pzt)或者batio3作為基材。然而，鋯鈦酸鉛中的鉛會導致嚴重的環(huán)境污染；另外，pzt和batio3鐵電材料的使用溫度大都在100℃以內(nèi)，具有一定的局限性。但目前除了上述鐵電材料外，對于其他體系鐵電陶瓷的鐵電開關(guān)性能還鮮有人報道。因此，迫切需要一種新的用于鐵電開關(guān)基材，以解決上述問題。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對現(xiàn)有的鐵電開關(guān)大部分都是以鋯鈦酸鉛或者batio3作為基材，而鋯鈦酸鉛中的鉛會導致嚴重的環(huán)境污染，且pzt和batio3鐵電材料的使用溫度大都在100℃以內(nèi)，具有一定局限性的問題，提供一種無鉛鐵電材料作為脈沖功率開關(guān)基材的應用及其鐵電開關(guān)。申請人通過研究發(fā)現(xiàn)，na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷以及其固溶體材料((1-x)(bi0.5na0.5)tio3-xbialo3，na0.5bi0.5tio3-xzno)在電場觸發(fā)下具有良好的開關(guān)性能，并基于該發(fā)現(xiàn)，得到了本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明中，首次將na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷及其固溶體材料作為脈沖功率開關(guān)基材，用于鐵電開關(guān)中，并取得了較好的效果，具有較高的應用價值和較好的應用前景。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：無鉛鐵電材料作為脈沖功率開關(guān)基材的應用，將無鉛鐵電材料用作脈沖功率開關(guān)的基材，所述無鉛鐵電材料為na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷、其固溶體材料中的一種或多種。該無鉛鐵電材料的使用范圍為0～200℃，脈沖電流峰值為40-133a/cm2。所述na0.5bi0.5tio3的固溶體材料的化學分子式為：na0.5bi0.5tio3-xceo2、na0.5bi0.5tio3-yzno、(1-z)(bi0.5na0.5)tio3-zbialo3中的一種或多種；其中，x≤0.01，y≤0.02，z≤0.08。采用前述無鉛鐵電材料制備的鐵電開關(guān)，其采用包括如下步驟的方法制備而成：(1)制備無鉛鐵電陶瓷材料，其相對密度大于95％；(2)將步驟1制備的無鉛鐵電陶瓷材料進行切片，所得樣品的厚度為0.5～2.0mm，并在樣品的兩面涂銀電極，再經(jīng)500～600℃高溫燒結(jié)，即得產(chǎn)品。所述步驟2中，高溫燒結(jié)時間為0.5～3h。所述步驟2中，高溫燒結(jié)時間為1h。前述鐵電開關(guān)的測試方法，包括如下步驟：(a)在常溫至120℃條件下，將制備的鐵電開關(guān)在外加直流高電場下極化10～20min，電場強度為2-5kv/mm，使得鐵電陶瓷電疇翻轉(zhuǎn)極化；(b)將步驟a極化好的鐵電開關(guān)接入測試電路，從而測試鐵電開關(guān)的性能。針對前述問題，本發(fā)明提供無鉛鐵電材料作為脈沖功率開關(guān)基材的應用及其鐵電開關(guān)。本發(fā)明中，申請人發(fā)現(xiàn)na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷以及其固溶體材料((1-x)(bi0.5na0.5)tio3-xbialo3，na0.5bi0.5tio3-xzno)在電場觸發(fā)下具有良好的開關(guān)性能，并首次利用na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷以及其固溶體材料(na0.5bi0.5tio3-xceo2(x<0.01)，na0.5bi0.5tio3-xzno(x<0.02)，(1-x)(bi0.5na0.5)tio3-xbialo3(x<0.08)等)這一類高極化無鉛鐵電材料作為鐵電開關(guān)基材；經(jīng)測定，本發(fā)明的鐵電開關(guān)材料的使用范圍為0℃到200℃，脈沖電流峰值為40-133a/cm2。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中不使用鉛，避免了鉛材料對環(huán)境的危害；同時，將鐵電材料的使用范圍，擴大至200℃以下，有效擴大鐵電開關(guān)材料的應用范圍，具有顯著的進步意義。需要強調(diào)的是，na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷是一種現(xiàn)有材料，但利用材料的鐵電開關(guān)特性，并將其用于制作脈沖功率開關(guān)基材，則是現(xiàn)有技術(shù)所沒有給出技術(shù)啟示的，具有顯著的進步。進一步，本發(fā)明還提供前述鐵電開關(guān)的制備方法，其包括如下步驟。(1)樣品制備：利用固相燒結(jié)法(或通過其他方法，包括等離子放電燒結(jié)法，熱壓法等方法制備陶瓷)制備na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷以及其固溶體材料(na0.5bi0.5tio3-xceo2(x<0.01)，na0.5bi0.5tio3-xzno(x<0.02)，(1-x)(bi0.5na0.5)tio3-xbialo3(x<0.08)等)，陶瓷的相對密度大于95％。(2)電極燒實：把燒結(jié)好的陶瓷切片，樣品厚度在0.5-2mm范圍內(nèi)，樣品尺寸為任意方便涂電極尺寸，樣品兩面涂銀電極并高溫(優(yōu)選500-600℃，1h，即將樣品兩面涂銀后，升溫至500-600℃，保溫1h，然后降溫至室溫)燒實，降溫到室溫后，取出樣品。(3)樣品的極化儲能：在常溫-120℃條件下，把燒結(jié)好而且涂有電極的陶瓷在外加直流高電場下極化15min，電場強度為2-5kv/mm，使得鐵電陶瓷電疇翻轉(zhuǎn)極化(如圖3所示)。(4)把極化好的陶瓷接入測試電路，測試其開關(guān)性能：把極化好的陶瓷片放入開關(guān)測試電路內(nèi)，對其激發(fā)后的脈沖信號進行測試(如圖2所示)。測試結(jié)果表明：na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷以及其固溶體材料((1-x)(bi0.5na0.5)tio3-xbialo3，na0.5bi0.5tio3-xzno等等)能在0-200℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，結(jié)果證明，其能夠作為鐵電開關(guān)基材使用。綜上所述，本發(fā)明首次利用na0.5bi0.5tio3(nbt)鐵電陶瓷以及其固溶體材料作為基材，在電場觸發(fā)下，有良好的開關(guān)性能。另外nbt為典型的無鉛鐵電材料，對于環(huán)境污染較小。因此，本發(fā)明開發(fā)的nbt無鉛鐵電開關(guān)材料對于高功率脈沖電源的發(fā)展具有重要的意義，同時此類材料在開關(guān)方向有著較好的應用前景。附圖說明本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：圖1為鐵電開關(guān)的工作原理圖。圖2為本實施例中樣品測試示意圖。圖3為鐵電開關(guān)陶瓷極化示意圖。圖中標記：1為觸發(fā)電源，2為匹配電阻，3為二極管，4為待測試的鐵電開關(guān)陶瓷，5為測試電流的羅氏線圈，6為匹配電阻，7為示波器，8為加熱裝置(加熱裝置主要用于為鐵電開關(guān)陶瓷進行加熱)，11為陶瓷樣品，12為銀電極，13為直流高壓電源。具體實施方式本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。本實施例中采用的樣品測試裝置如圖2所示，采用圖2的測試裝置對實施例制備的鐵電開關(guān)進行測試。圖3為實施例中，鐵電開關(guān)陶瓷極化示意圖。實施例1na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷的鐵電開關(guān)應用(1)利用等離子體電火花燒結(jié)技術(shù)制備na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷，該陶瓷的相對密度為99％。(2)將步驟(1)燒結(jié)好的鐵電陶瓷切片，所得樣品厚度為0.5mm，尺寸為3×2mm。在樣品兩面涂銀電極，電極尺寸為2.5×1.5mm，600℃高溫燒結(jié)1h，降溫到室溫后，取出樣品。(3)將步驟(2)制備的樣品在硅油中加熱到80℃，保溫15min。在陶瓷的兩面加2kv直流電壓，保持此條件15min。(4)采用上述相同條件，制備5件陶瓷樣品。(5)在不同溫度條件下，測試na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷的開關(guān)性能。測試結(jié)果如表1所示，開關(guān)峰值電流為49.5-89.7a/cm2。表1測試溫度(℃)255075100150相應時間(ns)41.852.247.837.433.9電流峰值(a/cm2)77.573.389.766.349.5實施例2na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷的鐵電開關(guān)應用(1)利用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷，瓷的相對密度為96.5％。(2)將步驟(1)燒結(jié)好的陶瓷切片，樣品厚度為1.5mm，尺寸為2.5×2.5mm。在樣品兩面涂銀電極，電極尺寸為2.4×2.4mm，600℃高溫燒結(jié)1h，降溫到室溫，取出樣品。(3)將步驟(2)制備的樣品在硅油中加熱到120℃，保溫15min。在陶瓷的兩面加4kv直流電壓，保持此條件15min。(4)重復前述步驟(1)-(3)五次(即在相同條件下進行重復制備)，制備5件陶瓷樣品。(5)在不同溫度條件下，測試na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷的開關(guān)性能。測試結(jié)果如表2所示，開關(guān)峰值電流為59.1-103.3a/cm2。表2測試溫度(℃)255075100150相應時間(ns)81.879.2107.867.463.0電流峰值(a/cm2)87.5103.391.769.959.1實施例3na0.5bi0.5tio3-xceo2鐵電陶瓷的鐵電開關(guān)應用(1)利用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備na0.5bi0.5tio3-xceo2(x＝0.002，0.005，0.01)鐵電陶瓷。所得陶瓷的相對密度分別為96.5％，96.3％，96.9％。(2)把步驟(1)燒結(jié)好的陶瓷切片，所得na0.5bi0.5tio3-xceo2(x＝0.002，0.005，0.01)的樣品厚度均為1.0mm，尺寸為3×3mm。在樣品兩面涂銀電極，電極尺寸為2.9×2.9mm，500℃高溫燒結(jié)1h，降溫到室溫后，取出樣品。(3)將步驟(2)制備的所有樣品在硅油中加熱到60℃，保溫15min。在陶瓷樣品的兩面加5kv直流電壓，保持此條件15min。(4)在室溫條件下，測試所得na0.5bi0.5tio3-xceo2鐵電陶瓷的開關(guān)性能，結(jié)果如表3所示。測試結(jié)果表明，本實施例的材料有著良好的開關(guān)性能。表3na0.5bi0.5tio3-xceo2x＝0.002x＝0.005x＝0.01相應時間(ns)117.9109.597.8電流峰值(a/cm2)121.593.381.6實施例4na0.5bi0.5tio3-xzno鐵電陶瓷的鐵電開關(guān)應用(1)利用等離子體電火花燒結(jié)技術(shù)制備na0.5bi0.5tio3-xzno(x＝0.005，0.01，0.015，0.02)鐵電陶瓷。所得陶瓷的相對密度分別為98.1％，97.7％，97.5％，98.5％。(2)把步驟(1)燒結(jié)好的陶瓷切片，所得na0.5bi0.5tio3-xzno(x＝0.005，0.01，0.015，0.02)樣品厚度均為0.5mm，尺寸為1.5×1.5mm。在樣品兩面涂銀電極，電極尺寸為1.3×1.3mm，高溫600℃燒結(jié)1h，降溫到室溫后，取出樣品。(3)將步驟(2)制備的所有樣品在硅油中加熱到80℃，保溫15min。在陶瓷的兩面加2.5kv直流電壓，保持此條件15min。(4)在50℃條件下測試na0.5bi0.5tio3-xzno鐵電陶瓷的開關(guān)性能，結(jié)果如表4所示。測定結(jié)果表明，本實施例的材料有著良好的開關(guān)性能。表4na0.5bi0.5tio3-xznox＝0.005x＝0.01x＝0.015x＝0.02相應時間(ns)47.539.345.534.1電流峰值(a/cm2)57.162.944.853.3實施例5(1-x)(bi0.5na0.5)tio3-xbialo3(x<0.08)鐵電陶瓷的鐵電開關(guān)應用(1)利用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備(1-x)(bi0.5na0.5)tio3-xbialo3(x＝0.002，0.004，0.006，0.008)鐵電陶瓷。所得陶瓷的相對密度分別為95.5％，96.6％，95.8％，95.1％。(2)把步驟(1)燒結(jié)好的陶瓷切片，所得(1-x)(bi0.5na0.5)tio3-xbialo3(x＝0.002，0.004，0.006，0.008)樣品厚度均為2.0mm，尺寸為4×4mm。在樣品兩面涂銀電極，電極尺寸為3.9×3.9mm，高溫600℃燒結(jié)1h，降溫到室溫后，取出樣品。(3)將步驟(2)制備的所有樣品在硅油中加熱到80℃，保溫15min。在陶瓷的兩面加4kv直流電壓，保持此條件15min。(4)在室溫條件下，測試(1-x)(bi0.5na0.5)tio3-xbialo3鐵電陶瓷的開關(guān)性能，結(jié)果如表5所示。測試結(jié)果表明，本實施例的材料有著良好的開關(guān)性能。表5(1-x)(bi0.5na0.5)tio3-xbialo3x＝0.002x＝0.004x＝0.006x＝0.008相應時間(ns)88.7109.4100.594.4電流峰值(a/cm2)79.081.2104.9133.7實施例6na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷的鐵電開關(guān)應用(1)利用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷。所得陶瓷的相對密度為96.5％。(2)把步驟(1)燒結(jié)好的陶瓷切片，樣品厚度為1.0mm，尺寸為2×2mm。在樣品兩面涂銀電極，電極尺寸為1.9×1.9mm，600℃高溫燒結(jié)1h，降溫到室溫后，取出樣品。(3)將步驟(2)制備的樣品在硅油中加熱到80℃，保溫15min。在陶瓷的兩面加4kv直流電壓，保持此條件15min。(4)采用上述相同條件，制備4件陶瓷樣品。(4)在不同溫度條件下，測試na0.5bi0.5tio3鐵電陶瓷的開關(guān)性能，結(jié)果如表6所示，開關(guān)峰值電流為40.0-71.2a/cm2。表6測試溫度(℃)50100150200相應時間(ns)67.961.049.933.5電流峰值(a/cm2)66.471.249.540.0本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。當前第1頁12