專利名稱：用于壓電陶瓷力電耦合條件下的循環(huán)疲勞壽命的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于壓電陶瓷力電耦合條件下的循環(huán)疲勞壽命的測試方法，能測試力電耦合加載下的循環(huán)疲勞壽命，適用于微電子領(lǐng)域力電耦合條件下小樣品循環(huán)疲勞壽命的評價。
背景技術(shù)：
壓電材料具有優(yōu)良的機電耦合效應(yīng)和對外電場的響應(yīng)能力，已被廣泛用于制作大容量電容器、傳感器等常規(guī)元器件以及微驅(qū)動器、微執(zhí)行器等高科技電子產(chǎn)品。然而，用于壓電壓力傳感器和微執(zhí)行器中的壓電陶瓷需在循環(huán)往復(fù)電場和力場下服役，在經(jīng)過大量周期性疲勞加載后，它會發(fā)生力電耦合作用下疲勞損傷，導(dǎo)致器件功能退化和失效，典型特征表現(xiàn)為隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，壓電陶瓷的壓電常數(shù)減小，力學(xué)性能下降。因此，從使用和安全設(shè)計方面考慮，建立一種可以準(zhǔn)確評價壓電陶瓷在力電耦合下循環(huán)疲勞壽命的方法具有重要的意義。球壓法是目前評價陶瓷材料循環(huán)疲勞性能的常用方法，該方法樣品固定簡單，但在測試過程中，特別是測試初期，應(yīng)力強度十分集中，因此，該方法的評價結(jié)果常常會夸大疲勞的作用，并且球壓法的應(yīng)力狀態(tài)也不是標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力狀態(tài)。此外，采用球壓法進(jìn)行疲勞加載后仍需采用其它方法評價剩余強度，但很難保證剩余強度的測試點就是疲勞測試的加載

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測試壓電材料力電耦合條件下的循環(huán)疲勞壽命的方法， 它能夠模擬實際工況下壓電陶瓷的服役情況及測定其疲勞壽命，方法簡單但是預(yù)測精確且具有先驗性。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種用于壓電陶瓷力電耦合條件下的循環(huán)疲勞壽命的測試方法，其使用的測試裝置包括上導(dǎo)向模，在上導(dǎo)向模上設(shè)有高精度載荷傳感器，上導(dǎo)向模設(shè)于下導(dǎo)向模上，在下導(dǎo)向模的下方設(shè)有下承載模，待測試的樣品置于下承載模上，在下導(dǎo)向模與下承載模之間設(shè)有上承載模，壓桿的一端穿過下導(dǎo)向模后連接上導(dǎo)向模，另一端位于樣品的上方，在樣品的下方設(shè)有高精度位移傳感器，高精度位移傳感器設(shè)于下承載模的內(nèi)孔內(nèi)，下導(dǎo)向模、壓桿及下承載模由良好導(dǎo)電的金屬材料制得，下導(dǎo)向模及下承載模分別連接高壓電源的正極及負(fù)極，上承載模由透明的絕緣的樹脂材料制得，其特征在于，步驟為步驟I、由高壓電源通過下導(dǎo)向模及下承載模向樣品施加交流電場或直流電場；步驟2、通過壓桿向樣品采用載荷控制的循環(huán)疲勞加載，加載的波形為正弦波，加載的頻率范圍為40-100HZ，采樣率的范圍為O. l-500pt/s ；步驟3、對樣品加載一定循環(huán)周次后，循環(huán)疲勞加載結(jié)束，繼續(xù)通過壓桿以一定加載速率向樣品加載力場直至樣品斷裂，在加載過程中以一定采樣頻率記錄通過高精度載荷傳感器及高精度位移傳感器得到的位移和載荷，計算得到斷裂強度Of，該斷裂強度Of即為剩余強度；步驟4、重復(fù)步驟2及步驟3，對另外至少2個樣品進(jìn)行測試，當(dāng)步驟I中加載的為交流電場時，測試時選擇不同的循環(huán)周次，得到每個循環(huán)周次所對應(yīng)的剩余強度，繪制循環(huán)周次-剩余強度曲線，由剩余強度的變化趨勢判據(jù)得到該循環(huán)力場/電場耦合作用下與樣品所對應(yīng)的材料的疲勞壽命；當(dāng)步驟I中加載的為直流電場時，測試時選擇不同的直流電場強度，得到在不同直流電場強度下，一定循環(huán)周次所分別對應(yīng)的剩余強度，繪制循環(huán)周次-剩余強度曲線，由剩余強度的變化趨勢判據(jù)得到該循環(huán)力場/電場耦合作用下與樣品所對應(yīng)的材料的疲勞壽命。優(yōu)選地，所述斷裂強度Of的計算步驟為根據(jù)所述位移和載荷繪制位移-載荷曲線，在該曲線中找出樣品斷裂時加載的最大載荷P，則Oi =^T+
(l + /)ln^，其中，a為所述下承載模的內(nèi)孔直徑，b為所述壓桿的直徑，t為所述樣品的厚度，Y為所述樣品的泊松比。優(yōu)選地，所述樣品為脆性小樣品材料，其為圓片或方片，樣品的厚度為O. 3-0. 7mm, 若樣品為圓片，則直徑為IOmm,若樣品為方片，則邊長為10mm。優(yōu)選地，所述交流電場的幅值為600V/mm，所述直流電場的強度范圍為-1000-1000V/mm。優(yōu)選地,在步驟3中，所述加載速率為O. 02 O. 05mm/min,所述采樣頻率為IOpt/S。采用小樣品力學(xué)性能測試系統(tǒng)施加循環(huán)疲勞時，樣品能夠保持其位置的穩(wěn)定，疲勞加載后可以直接進(jìn)行強度測試，完全能保證疲勞加載和強度測試在樣品的同一部分。另外，還可以很方便的評價壓電陶瓷在力電耦合下的疲勞性能。本發(fā)明采用在測試力學(xué)性能的同時加載電場，通過循環(huán)交變應(yīng)力+恒穩(wěn)電場、恒穩(wěn)應(yīng)力+循環(huán)交變電場以及單調(diào)應(yīng)力+恒穩(wěn)電場等多種復(fù)合形式加載實現(xiàn)有效的力電場耦合作用，從而可測得力電耦合場下壓電材料的循環(huán)疲勞壽命。本發(fā)明采用動態(tài)的力學(xué)性能試驗機結(jié)合小樣品的力學(xué)模型，由此提供了一種測試力電耦合場下壓電陶瓷循環(huán)疲勞壽命的新方法。本發(fā)明具有如下優(yōu)點I、本發(fā)明的測試方法簡便可行，適用于在實際使用時受到力電場耦合作用且為小型片狀的材料，測試方法中能真實模擬材料在循環(huán)力電作用下的實際受力情況；2、本發(fā)明提供的力電耦合小樣品循環(huán)疲勞測試方法是適合于評價小樣品材料力電耦合下循環(huán)疲勞性能的有效、方便和可靠的測試方法。


圖I為本發(fā)明中的力電耦合測試裝置的較佳實施例的結(jié)構(gòu)圖；圖2為PZT52/48陶瓷的剩余強度和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；
圖3為PZT52/48陶瓷在循環(huán)電場和力場耦合條件下疲勞加載后PZT陶瓷的剩余強度和循環(huán)疲勞次數(shù)的關(guān)系；圖4為PZT52/48陶瓷在不同場強力電耦合條件下的疲勞加載后的剩余強度。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。以下實施例中使用的是如圖I所示的用于壓電陶瓷力電耦合條件下的力學(xué)性能測試裝置，包括上導(dǎo)向模2，在上導(dǎo)向模2上設(shè)有高精度載荷傳感器I，上導(dǎo)向模2設(shè)于下導(dǎo)向模3上,在下導(dǎo)向模3的下方設(shè)有下承載模7,待測試的樣品5置于下承載模7上,在下導(dǎo)向模3與下承載模7之間設(shè)有上承載模6,壓桿4的一端穿過下導(dǎo)向模3后連接上導(dǎo)向模 2，另一端位于樣品5的上方，在樣品5的下方設(shè)有聞精度位移傳感器8,聞精度位移傳感器 8設(shè)于下承載模7的內(nèi)孔內(nèi)，下導(dǎo)向模3、壓桿4及下承載模7由良好導(dǎo)電的金屬材料制得， 下導(dǎo)向模3及下承載模7分別連接高壓電源9的正極及負(fù)極，上承載模6由透明的絕緣的樹脂材料制得。實施例I本實施例公開了一種用于壓電陶瓷力電耦合條件下的循環(huán)疲勞壽命的測試方法， 該方法中采用的樣品由以下方法得到采用市場購買的PZT52/48塊體壓電陶瓷，切出厚度約為1_，邊長IOmm的方片，然后經(jīng)過粗磨、細(xì)磨，最后采用I μπι的金剛石單面拋光制成厚度約為O. 7mm的樣品，并在兩面分別鍍上銀電極。采用載荷控制，對PZT陶瓷進(jìn)行循環(huán)疲勞性能測試，其步驟為步驟I、由高壓電源9通過下導(dǎo)向模3及下承載模7向樣品5施加交流電場，交流電場的幅值為600V/mm，頻率為50Hz ；步驟2、通過壓桿4向樣品5采用載荷控制的循環(huán)疲勞加載，加載的波形為正弦波， 施加力的最低值保持在I 3N之間，以保證壓頭和樣品之間良好的接觸，加載的頻率范圍為IOOHz，循環(huán)加載的振幅為32N，采樣率為O. lpt/s ；步驟3、對樣品5加載103循環(huán)周次后，循環(huán)疲勞加載結(jié)束，繼續(xù)通過壓桿4以 O. 05mm/min的加載速率向樣品5加載力場直至樣品5斷裂,在加載過程中以10pt/s采樣頻率記錄通過高精度載荷傳感器I及高精度位移傳感器8得到的位移和載荷，根據(jù)所述位移和載荷繪制位移-載荷曲線，在該曲線中找出樣品5斷裂時加載的最大載荷P，則
權(quán)利要求
1.一種用于壓電陶瓷力電耦合條件下的循環(huán)疲勞壽命的測試方法，其使用的測試裝置包括上導(dǎo)向模(2)，在上導(dǎo)向模(2)上設(shè)有高精度載荷傳感器(I)，上導(dǎo)向模(2)設(shè)于下導(dǎo)向模(3)上，在下導(dǎo)向模(3)的下方設(shè)有下承載模(7)，待測試的樣品(5)置于下承載模(7) 上，在下導(dǎo)向模⑶與下承載模(7)之間設(shè)有上承載模(6)，壓桿(4)的一端穿過下導(dǎo)向模(3)后連接上導(dǎo)向模(2)，另一端位于樣品(5)的上方，在樣品(5)的下方設(shè)有高精度位移傳感器(8)，高精度位移傳感器(8)設(shè)于下承載模(7)的內(nèi)孔內(nèi)，下導(dǎo)向模(3)、壓桿(4)及下承載模(7)由良好導(dǎo)電的金屬材料制得，下導(dǎo)向模(3)及下承載模(7)分別連接高壓電源(9)的正極及負(fù)極，上承載?！?由透明的絕緣的樹脂材料制得，其特征在于，步驟為步驟I、由高壓電源(9)通過下導(dǎo)向模(3)及下承載模(7)向樣品(5)施加交流電場或直流電場；步驟2、通過壓桿(4)向樣品(5)采用載荷控制的循環(huán)疲勞加載，加載的波形為正弦波， 加載的頻率范圍為40-100HZ，采樣率的范圍為O. l-500pt/s ；步驟3、對樣品(5)加載一定循環(huán)周次后，循環(huán)疲勞加載結(jié)束，繼續(xù)通過壓桿(4)以一定加載速率向樣品(5)加載力場直至樣品(5)斷裂，在加載過程中以一定采樣頻率記錄通過高精度載荷傳感器(I)及高精度位移傳感器(8)得到的位移和載荷，計算得到斷裂強度 σ f，該斷裂強度σ f即為剩余強度；步驟4、重復(fù)步驟2及步驟3，對另外至少2個樣品(5)進(jìn)行測試，當(dāng)步驟I中加載的為交流電場時，測試時選擇不同的循環(huán)周次，得到每個循環(huán)周次所對應(yīng)的剩余強度，繪制循環(huán)周次-剩余強度曲線，由剩余強度的變化趨勢判據(jù)得到該循環(huán)力場/電場耦合作用下與樣品(5)所對應(yīng)的材料的疲勞壽命；當(dāng)步驟I中加載的為直流電場時，測試時選擇不同的直流電場強度，得到在不同直流電場強度下，一定循環(huán)周次所分別對應(yīng)的剩余強度，繪制循環(huán)周次-剩余強度曲線，由剩余強度的變化趨勢判據(jù)得到該循環(huán)力場/電場耦合作用下與樣品(5)所對應(yīng)的材料的疲勞壽命O
2.如權(quán)利要求I所述的一種用于壓電陶瓷力電耦合條件下的力學(xué)性能測試方法，其特征在于所述斷裂強度σ f的計算步驟為根據(jù)所述位移和載荷繪制位移-載荷曲線，在該曲線中找出樣品(5)斷裂時加載的最大載荷P，則
3.如權(quán)利要求I所述的一種用于壓電陶瓷力電耦合條件下的力學(xué)性能測試方法，其特征在于所述樣品(5)為脆性小樣品材料，其為圓片或方片，樣品(5)的厚度為O. 3-0. 7mm, 若樣品(5)為圓片，則直徑為IOmm,若樣品(5)為方片，則邊長為10mm。
4.如權(quán)利要求I所述的一種用于壓電陶瓷力電耦合條件下的力學(xué)性能測試方法，其特征在于所述交流電場的幅值為600V/mm，所述直流電場的強度范圍為-1000-1000V/mm。
5.如權(quán)利要求I所述的一種用于壓電陶瓷力電耦合條件下的力學(xué)性能測試方法，其特征在于在步驟3中，所述加載速率為0. 02 0. 05mm/min，所述采樣頻率為10pt/s。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于壓電材料力電耦合條件下的循環(huán)疲勞壽命的方法，在測試力學(xué)性能的同時加載電場，在樣品的上下兩端引入電路直接加載電場，通過循環(huán)交變應(yīng)力+恒穩(wěn)電場、恒穩(wěn)應(yīng)力+循環(huán)交變電場以及單調(diào)應(yīng)力+恒穩(wěn)電場等多種復(fù)合形式加載實現(xiàn)有效的力電場耦合作用，從而可測得力電耦合場下壓電材料的循環(huán)疲勞壽命。本發(fā)明的測試方法簡單，適用于小型片狀材料，節(jié)省測試成本；在施加完循環(huán)疲勞后能直接測試材料的剩余強度，這樣保持循環(huán)疲勞測試的位置和剩余強度性能的位置在同一點，確保測試結(jié)果有效，并獲得壓電材料在力電場耦合條件下的循環(huán)疲勞壽命。
文檔編號G01N3/32GK102607971SQ20121006912
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者張青紅, 李耀剛, 江莞, 王宏志, 王連軍, 鄧啟煌 申請人:東華大學(xué)