實驗名稱：力-電耦合作用下鐵電材料的性能研究

測試設備：高壓放大器、信號發生器、A/D采集卡、應變儀、壓電陶瓷等。

實驗過程：

圖1：力-電耦合試驗測試裝置

本試驗涉及到的加載與測試單元組成如圖1所示，高壓電場E由D/A信號發生卡經高壓放大器產生，能夠提供最高10kV的電壓，為防止高壓擊穿空氣，試驗在硅油中進行。試驗過程中電場強度由高壓放大器的monitor通道輸出，電極化強度通過Sawyer-tower回路測量[121]，利用粘貼在試樣表面的兩組垂直布置的應變片，分別測量極化方向上與垂直方向上的應變。三組物理量通過采集卡讀入計算機。

圖2：載荷與電場的加載方向及試樣處理

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

如圖2所示，沿x軸在PZT-5陶瓷兩個表面施加載荷，兩個應變片分別測量與載荷同向的電致伸縮應變λP33和垂直于載荷的應變λP31，電場沿z方向施加，試驗過程中同時采集壓縮載荷和兩路應變信號。

實驗結果：

圖3：不同外載荷下的PZT-5電致伸縮曲線的初始線性段

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

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審核編輯 黃宇