[发明专利]无铅铁电材料作为脉冲功率开关基材的应用及其铁电开关

说明书

本发明公开了一种无铅铁电材料作为脉冲功率开关基材的应用及其铁电开关，目的在于解决现有的铁电开关大部分都是以锆钛酸铅或者BaTiO₃作为基材，而锆钛酸铅中的铅会导致严重的环境污染，且PZT和BaTiO₃铁电材料的使用温度大都在100℃以内，具有一定局限性的问题。申请人通过研究发现，Na_0.5Bi_0.5TiO₃铁电陶瓷以及其固溶体材料((1‑x)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃‑xBiAlO₃，Na_0.5Bi_0.5TiO₃‑xZnO)在电场触发下具有良好的开关性能，并基于该发现，得到了本发明的技术方案。本申请中，将无铅铁电材料用作脉冲功率开关的基材，所述无铅铁电材料为Na_0.5Bi_0.5TiO₃铁电陶瓷、其固溶体材料中的一种或多种。本发明中，首次将Na_0.5Bi_0.5TiO₃铁电陶瓷及其固溶体材料作为脉冲功率开关基材，用于铁电开关中，并取得了较好的效果，具有较高的应用价值，及较好的应用前景。

技术领域

本发明涉及脉冲领域，具体为一种无铅铁电材料作为脉冲功率开关基材的应用及其铁电开关，其是一种新型无铅高性能铁电开关。本发明中首次将Na_0.5Bi_0.5TiO₃铁电陶瓷及其固溶体材料作为脉冲功率开关基材，用于铁电开关中，并取得了较好的效果，具有较好的应用前景。

背景技术

脉冲功率技术是指慢慢把能量储存起来，然后快速压缩、转换或直接释放能量给负载的电物理技术。基于脉冲功率技术自身的优点，其在等离子体物理与受控核聚变研究、高功率激光、大功率微波、电磁脉冲、电磁发射等工业领域有着广泛的应用。近年来，各个先进国家的军用和民用部门、高等院校等都在积极开展脉冲功率技术及其应用的研究。

目前，高功率脉冲技术的发展方向主要包括如下三个方面：1)提高储能密度，2)研制大功率转换开关，3)产生高重频的大功率脉冲。其中，开关元件的参数和特性对脉冲的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响，因此，开关元件在脉冲功率技术领域占有特殊的地位。

铁电开关材料是一种在脉冲电压或者脉冲激光激励下，从铁电体表面获得很强的电脉冲的新型功能材料，其工作原理如图1所示，其利用铁电材料的电畴翻转产生高强度、高速度的脉冲信号。如图1(a)所示，在极化的铁电材料两端加上反向的触发电场，外加电场使得电畴翻转，在外电路上形成脉冲大电流信号。如图1(b)所示，开关工作完成后，其铁电材料的电畴完全翻转。图1(c)则给出了开关信号和触发信号的示意图，测试电流的最大值为峰值电流，其上升前沿为响应时间。铁电开关具高可靠、高稳定、电流密度大和工艺简单等优势，因而受到研究人员的广泛关注。

目前，工业上使用的铁电开关大部分都是以锆钛酸铅(简称PZT)或者BaTiO₃作为基材。然而，锆钛酸铅中的铅会导致严重的环境污染；另外，PZT和BaTiO₃铁电材料的使用温度大都在100℃以内，具有一定的局限性。

但目前除了上述铁电材料外，对于其他体系铁电陶瓷的铁电开关性能还鲜有人报道。因此，迫切需要一种新的用于铁电开关基材，以解决上述问题。

发明内容