實(shí)驗(yàn)名稱：壓電材料綜合性能測試裝置的設(shè)計(jì)與搭建

測試設(shè)備：高壓放大器、鐵電分析儀、示波器、電容位移傳感器等。

圖1：壓電測試腔

實(shí)驗(yàn)過程：

設(shè)計(jì)并加工了壓電測試腔，如圖1所示，然后搭建壓電材料綜合性能測試裝置，測試過程中，壓電材料的電疇翻轉(zhuǎn)完全需要高達(dá)40kV/mm的電場，高壓放大器最大可達(dá)到10000V高壓，可以滿足測試需求。信號(hào)發(fā)生器可以設(shè)置不同頻率、幅值、波形的交變信號(hào)，通過高壓放大器給壓電測試腔內(nèi)的樣品施加電場激勵(lì)，同時(shí)示波器采集信號(hào)發(fā)生器的電壓信號(hào)。通過鐵電分析儀可以獲取壓電樣品的電極化強(qiáng)度。由電容位移傳感器獲得的樣品位移可以計(jì)算出材料的應(yīng)變。示波器采集上述信號(hào)就可以獲取壓電樣品的電滯回線和蝶形曲線。

首先準(zhǔn)備5mm×5mm×0.3mmPZT和BNT的片狀試件，利用自主搭建的壓電材料綜合性能測試裝置進(jìn)行測試，測試過程主要分為三個(gè)部分。

第一：壓電測試腔準(zhǔn)備，由于試樣為壓電陶瓷比較易碎，需要把試樣輕放在測試腔的上下夾具之間。為防止高壓擊穿試樣，在壓電測試腔內(nèi)放入硅油。

第二：調(diào)試電容位移傳感器。首先連接好電容位移傳感器的各部件，把位移測頭固定在傳感器支座上，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺旋機(jī)架調(diào)整測頭和測量板的粗略位置關(guān)系，然后利用微動(dòng)平臺(tái)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)測頭和測量板接觸，此時(shí)觀察電容位移傳感器輸出到示波器的電壓信號(hào)，確保材料的位移變化在量程之內(nèi)。

第三：控制系統(tǒng)的設(shè)置。在控制系統(tǒng)里輸入試樣的參數(shù)包括厚度、面積，電場設(shè)置為兩個(gè)周期的三角波，每一個(gè)三角波的頻率為1Hz，打開鐵電分析儀、高壓放大器，并把高壓放大器的monitor電壓輸出連接至示波器，示波器處于滾動(dòng)采集狀態(tài)，系統(tǒng)開始測試。

由此獲得PZT和BNT的電滯回線和蝶形曲線。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（1）獲得的P-E曲線如下：

如圖2-13和2-14所示，由于PZT和BNT材料本身固有屬性的不同，PZT選擇了外加電場強(qiáng)度E最大為14kV/cm~20kV/cm，而BNT的外加最大電場為30kV/cm~42V/cm。PZT和BNT分別在20kV/cm和42kV/cm時(shí)極化飽和。

（2）獲得的蝶形曲線如下：

如圖2-15所示，為PZT的曲線，四次雙周期的三角波電場激勵(lì)，最大電場分別為14kV/cm、16kV/cm、18kV/cm、20kV/cm。從圖中可以看出PZT具有較好的耐壓性，其擊穿電場為20kV/mm，充分說明PZT試樣的表面處理比較好，并且PZT試樣內(nèi)部具有較少的缺陷。

如圖2-16所示，為BNT的曲線，采用雙周期的三角波電場激勵(lì)，最大電場分別為30kV/cm、32kV/cm、34kV/cm、40kV/cm。從圖中可以看出BNT具有優(yōu)越的的耐壓性，其擊穿電場高達(dá)42kV/cm，是PZT的兩倍。

蝶形曲線中的波動(dòng)是由于壓電測試腔中的加載柱和滑動(dòng)軸承之間的摩擦阻尼以及加載柱連接體本身重力所造成。因此，在應(yīng)變上升階段應(yīng)變方向和重力方向反向，需要克服加載柱連接體重力和摩擦阻尼的作用，將應(yīng)變傳遞到位移傳感器。此時(shí)擾動(dòng)較大，具體表現(xiàn)在蝶形曲線應(yīng)變上升階段的圖形波動(dòng)較大。而在應(yīng)變下降階段，應(yīng)變方向和重力方向同向，只需克服加載柱和滑動(dòng)軸承之間的摩擦阻尼作用。這也是蝶形曲線在應(yīng)變下降階段曲線比較光滑的原因。

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審核編輯 黃宇