专利名称：用于压电陶瓷力电耦合条件下的循环疲劳寿命的测试方法
技术领域：
本发明涉及一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的循环疲劳寿命的测试方法，能测试力电耦合加载下的循环疲劳寿命，适用于微电子领域力电耦合条件下小样品循环疲劳寿命的评价。
背景技术：
压电材料具有优良的机电耦合效应和对外电场的响应能力，已被广泛用于制作大容量电容器、传感器等常规元器件以及微驱动器、微执行器等高科技电子产品。然而，用于压电压力传感器和微执行器中的压电陶瓷需在循环往复电场和力场下服役，在经过大量周期性疲劳加载后，它会发生力电耦合作用下疲劳损伤，导致器件功能退化和失效，典型特征表现为随着循环加载次数的增加，压电陶瓷的压电常数减小，力学性能下降。因此，从使用和安全设计方面考虑，建立一种可以准确评价压电陶瓷在力电耦合下循环疲劳寿命的方法具有重要的意义。球压法是目前评价陶瓷材料循环疲劳性能的常用方法，该方法样品固定简单，但在测试过程中，特别是测试初期，应力强度十分集中，因此，该方法的评价结果常常会夸大疲劳的作用，并且球压法的应力状态也不是标准的应力状态。此外，采用球压法进行疲劳加载后仍需采用其它方法评价剩余强度，但很难保证剩余强度的测试点就是疲劳测试的加载
发明内容
本发明的目的是提供一种测试压电材料力电耦合条件下的循环疲劳寿命的方法， 它能够模拟实际工况下压电陶瓷的服役情况及测定其疲劳寿命，方法简单但是预测精确且具有先验性。为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的循环疲劳寿命的测试方法，其使用的测试装置包括上导向模，在上导向模上设有高精度载荷传感器，上导向模设于下导向模上，在下导向模的下方设有下承载模，待测试的样品置于下承载模上，在下导向模与下承载模之间设有上承载模，压杆的一端穿过下导向模后连接上导向模，另一端位于样品的上方，在样品的下方设有高精度位移传感器，高精度位移传感器设于下承载模的内孔内，下导向模、压杆及下承载模由良好导电的金属材料制得，下导向模及下承载模分别连接高压电源的正极及负极，上承载模由透明的绝缘的树脂材料制得，其特征在于，步骤为步骤I、由高压电源通过下导向模及下承载模向样品施加交流电场或直流电场；步骤2、通过压杆向样品采用载荷控制的循环疲劳加载，加载的波形为正弦波，加载的频率范围为40-100HZ，采样率的范围为O. l-500pt/s ；步骤3、对样品加载一定循环周次后，循环疲劳加载结束，继续通过压杆以一定加载速率向样品加载力场直至样品断裂，在加载过程中以一定采样频率记录通过高精度载荷传感器及高精度位移传感器得到的位移和载荷，计算得到断裂强度Of，该断裂强度Of即为剩余强度；步骤4、重复步骤2及步骤3，对另外至少2个样品进行测试，当步骤I中加载的为交流电场时，测试时选择不同的循环周次，得到每个循环周次所对应的剩余强度，绘制循环周次-剩余强度曲线，由剩余强度的变化趋势判据得到该循环力场/电场耦合作用下与样品所对应的材料的疲劳寿命；当步骤I中加载的为直流电场时，测试时选择不同的直流电场强度，得到在不同直流电场强度下，一定循环周次所分别对应的剩余强度，绘制循环周次-剩余强度曲线，由剩余强度的变化趋势判据得到该循环力场/电场耦合作用下与样品所对应的材料的疲劳寿命。优选地，所述断裂强度Of的计算步骤为根据所述位移和载荷绘制位移-载荷曲线，在该曲线中找出样品断裂时加载的最大载荷P，则Oi =^T+
(l + /)ln^，其中，a为所述下承载模的内孔直径，b为所述压杆的直径，t为所述样品的厚度，Y为所述样品的泊松比。优选地，所述样品为脆性小样品材料，其为圆片或方片，样品的厚度为O. 3-0. 7mm, 若样品为圆片，则直径为IOmm,若样品为方片，则边长为10mm。优选地，所述交流电场的幅值为600V/mm，所述直流电场的强度范围为-1000-1000V/mm。优选地,在步骤3中，所述加载速率为O. 02 O. 05mm/min,所述采样频率为IOpt/S。采用小样品力学性能测试系统施加循环疲劳时，样品能够保持其位置的稳定，疲劳加载后可以直接进行强度测试，完全能保证疲劳加载和强度测试在样品的同一部分。另外，还可以很方便的评价压电陶瓷在力电耦合下的疲劳性能。本发明采用在测试力学性能的同时加载电场，通过循环交变应力+恒稳电场、恒稳应力+循环交变电场以及单调应力+恒稳电场等多种复合形式加载实现有效的力电场耦合作用，从而可测得力电耦合场下压电材料的循环疲劳寿命。本发明采用动态的力学性能试验机结合小样品的力学模型，由此提供了一种测试力电耦合场下压电陶瓷循环疲劳寿命的新方法。本发明具有如下优点I、本发明的测试方法简便可行，适用于在实际使用时受到力电场耦合作用且为小型片状的材料，测试方法中能真实模拟材料在循环力电作用下的实际受力情况；2、本发明提供的力电耦合小样品循环疲劳测试方法是适合于评价小样品材料力电耦合下循环疲劳性能的有效、方便和可靠的测试方法。
图I为本发明中的力电耦合测试装置的较佳实施例的结构图；图2为PZT52/48陶瓷的剩余强度和循环次数的关系；
图3为PZT52/48陶瓷在循环电场和力场耦合条件下疲劳加载后PZT陶瓷的剩余强度和循环疲劳次数的关系；图4为PZT52/48陶瓷在不同场强力电耦合条件下的疲劳加载后的剩余强度。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。以下实施例中使用的是如图I所示的用于压电陶瓷力电耦合条件下的力学性能测试装置，包括上导向模2，在上导向模2上设有高精度载荷传感器I，上导向模2设于下导向模3上,在下导向模3的下方设有下承载模7,待测试的样品5置于下承载模7上,在下导向模3与下承载模7之间设有上承载模6,压杆4的一端穿过下导向模3后连接上导向模 2，另一端位于样品5的上方，在样品5的下方设有闻精度位移传感器8,闻精度位移传感器 8设于下承载模7的内孔内，下导向模3、压杆4及下承载模7由良好导电的金属材料制得， 下导向模3及下承载模7分别连接高压电源9的正极及负极，上承载模6由透明的绝缘的树脂材料制得。实施例I本实施例公开了一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的循环疲劳寿命的测试方法， 该方法中采用的样品由以下方法得到采用市场购买的PZT52/48块体压电陶瓷，切出厚度约为1_，边长IOmm的方片，然后经过粗磨、细磨，最后采用I μπι的金刚石单面抛光制成厚度约为O. 7mm的样品，并在两面分别镀上银电极。采用载荷控制，对PZT陶瓷进行循环疲劳性能测试，其步骤为步骤I、由高压电源9通过下导向模3及下承载模7向样品5施加交流电场，交流电场的幅值为600V/mm，频率为50Hz ；步骤2、通过压杆4向样品5采用载荷控制的循环疲劳加载，加载的波形为正弦波， 施加力的最低值保持在I 3N之间，以保证压头和样品之间良好的接触，加载的频率范围为IOOHz，循环加载的振幅为32N，采样率为O. lpt/s ；步骤3、对样品5加载103循环周次后，循环疲劳加载结束，继续通过压杆4以 O. 05mm/min的加载速率向样品5加载力场直至样品5断裂,在加载过程中以10pt/s采样频率记录通过高精度载荷传感器I及高精度位移传感器8得到的位移和载荷，根据所述位移和载荷绘制位移-载荷曲线，在该曲线中找出样品5断裂时加载的最大载荷P，则
权利要求
1.一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的循环疲劳寿命的测试方法，其使用的测试装置包括上导向模(2)，在上导向模(2)上设有高精度载荷传感器(I)，上导向模(2)设于下导向模(3)上，在下导向模(3)的下方设有下承载模(7)，待测试的样品(5)置于下承载模(7) 上，在下导向模⑶与下承载模(7)之间设有上承载模(6)，压杆(4)的一端穿过下导向模(3)后连接上导向模(2)，另一端位于样品(5)的上方，在样品(5)的下方设有高精度位移传感器(8)，高精度位移传感器(8)设于下承载模(7)的内孔内，下导向模(3)、压杆(4)及下承载模(7)由良好导电的金属材料制得，下导向模(3)及下承载模(7)分别连接高压电源(9)的正极及负极，上承载模￠)由透明的绝缘的树脂材料制得，其特征在于，步骤为步骤I、由高压电源(9)通过下导向模(3)及下承载模(7)向样品(5)施加交流电场或直流电场；步骤2、通过压杆(4)向样品(5)采用载荷控制的循环疲劳加载，加载的波形为正弦波， 加载的频率范围为40-100HZ，采样率的范围为O. l-500pt/s ；步骤3、对样品(5)加载一定循环周次后，循环疲劳加载结束，继续通过压杆(4)以一定加载速率向样品(5)加载力场直至样品(5)断裂，在加载过程中以一定采样频率记录通过高精度载荷传感器(I)及高精度位移传感器(8)得到的位移和载荷，计算得到断裂强度 σ f，该断裂强度σ f即为剩余强度；步骤4、重复步骤2及步骤3，对另外至少2个样品(5)进行测试，当步骤I中加载的为交流电场时，测试时选择不同的循环周次，得到每个循环周次所对应的剩余强度，绘制循环周次-剩余强度曲线，由剩余强度的变化趋势判据得到该循环力场/电场耦合作用下与样品(5)所对应的材料的疲劳寿命；当步骤I中加载的为直流电场时，测试时选择不同的直流电场强度，得到在不同直流电场强度下，一定循环周次所分别对应的剩余强度，绘制循环周次-剩余强度曲线，由剩余强度的变化趋势判据得到该循环力场/电场耦合作用下与样品(5)所对应的材料的疲劳寿命O
2.如权利要求I所述的一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的力学性能测试方法，其特征在于所述断裂强度σ f的计算步骤为根据所述位移和载荷绘制位移-载荷曲线，在该曲线中找出样品(5)断裂时加载的最大载荷P，则
3.如权利要求I所述的一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的力学性能测试方法，其特征在于所述样品(5)为脆性小样品材料，其为圆片或方片，样品(5)的厚度为O. 3-0. 7mm, 若样品(5)为圆片，则直径为IOmm,若样品(5)为方片，则边长为10mm。
4.如权利要求I所述的一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的力学性能测试方法，其特征在于所述交流电场的幅值为600V/mm，所述直流电场的强度范围为-1000-1000V/mm。
5.如权利要求I所述的一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的力学性能测试方法，其特征在于在步骤3中，所述加载速率为0. 02 0. 05mm/min，所述采样频率为10pt/s。
全文摘要
本发明提供了一种用于压电材料力电耦合条件下的循环疲劳寿命的方法，在测试力学性能的同时加载电场，在样品的上下两端引入电路直接加载电场，通过循环交变应力+恒稳电场、恒稳应力+循环交变电场以及单调应力+恒稳电场等多种复合形式加载实现有效的力电场耦合作用，从而可测得力电耦合场下压电材料的循环疲劳寿命。本发明的测试方法简单，适用于小型片状材料，节省测试成本；在施加完循环疲劳后能直接测试材料的剩余强度，这样保持循环疲劳测试的位置和剩余强度性能的位置在同一点，确保测试结果有效，并获得压电材料在力电场耦合条件下的循环疲劳寿命。
文档编号G01N3/32GK102607971SQ20121006912
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者张青红, 李耀刚, 江莞, 王宏志, 王连军, 邓启煌 申请人:东华大学