高壓放大器在力-電耦合作用下材料壓電系數(shù)研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱：力-電耦合作用下鐵電材料的性能研究

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、A/D采集卡、應(yīng)變儀、壓電陶瓷等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：力-電耦合試驗(yàn)測(cè)試裝置

本試驗(yàn)涉及到的加載與測(cè)試單元組成如圖1所示，高壓電場(chǎng)E由D/A信號(hào)發(fā)生卡經(jīng)高壓放大器產(chǎn)生，能夠提供最高10kV的電壓，為防止高壓擊穿空氣，試驗(yàn)在硅油中進(jìn)行。試驗(yàn)過程中電場(chǎng)強(qiáng)度由高壓放大器的monitor通道輸出，電極化強(qiáng)度通過Sawyer-tower回路測(cè)量[121]，利用粘貼在試樣表面的兩組垂直布置的應(yīng)變片，分別測(cè)量極化方向上與垂直方向上的應(yīng)變。三組物理量通過采集卡讀入計(jì)算機(jī)。

圖2：載荷與電場(chǎng)的加載方向及試樣處理

被測(cè)試樣選用PZT-5壓電陶瓷，尺寸為8×4×4（長(zhǎng)×寬×高，單位mm）的立方體，兩個(gè)相對(duì)的4×4表面為被銀面；采用BX120-2AA型應(yīng)變片測(cè)量材料變形，應(yīng)變片帶有20cm絕緣導(dǎo)線，能夠在電場(chǎng)內(nèi)確保應(yīng)變片的絕緣。利用502快干膠將應(yīng)變片粘貼在打磨平整的PZT陶瓷表面，為避免在高壓電場(chǎng)中產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，需要在其表面涂抹硅橡膠進(jìn)行絕緣處理。由于硅橡膠溶解于硅油，還應(yīng)該在最外層涂抹密封硅酮進(jìn)行防油處理，試樣的處理如圖2所示。

如圖2所示，沿x軸在PZT-5陶瓷兩個(gè)表面施加載荷，兩個(gè)應(yīng)變片分別測(cè)量與載荷同向的電致伸縮應(yīng)變?chǔ)薖33和垂直于載荷的應(yīng)變?chǔ)薖31，電場(chǎng)沿z方向施加，試驗(yàn)過程中同時(shí)采集壓縮載荷和兩路應(yīng)變信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖3：不同外載荷下的PZT-5電致伸縮曲線的初始線性段

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，兩個(gè)方向上的λP-E均為線性，此時(shí)曲線斜率為材料在x、z兩個(gè)方向上的壓電系數(shù)，分別表示為dP33和dP31。由于極化過程被外載荷限制，兩個(gè)方向上的壓電系數(shù)均隨外載荷的增加而下降，但對(duì)于垂直于極化方向上的壓電系數(shù)dP31其下降的趨勢(shì)更明顯。在50MPa的壓應(yīng)力下，其壓電系數(shù)下降了53%，而極化方向上的壓電系數(shù)dP33僅下降12.8%。

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審核編輯 黃宇