专利名称：用于压电陶瓷力电耦合条件下的力学性能测试装置及方法
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力学性能测试装置及采用该装置的测试方法，能测试力电耦合加载下的力学性能，适用于微电子领域力电耦合条件下小样品力学性能的评价。
背景技术：
在信息时代，功能材料及器件的小型化和膜片化已成为材料应用发展的重要趋势。这些微小器件的稳定性引起人们的关注，特别是小器件的力学性能。但是传统力学性能测试方法在此领域却并不适用。首先，传统力学性能测试方法很难准确地评价小型化、薄片化后的功能材料的力学性能。其次，由于尺度效应，传统测试方法所测得的相应标准尺寸样品的力学性能也不能真实地反映出实际应用中的微小器件的承载状态。再者，样品在某些场合下难以制备成大块，或者制备成大块样品成本非常昂贵，或者只能使用很小的样品进行测试(例如，核工业领域中考虑到核辐射的影响，在评价受辐射材料的力学性能时，往往不会使用大尺寸样品进行测试)。最后，功能材料与传统的结构材料的性能要求是不相同的。例如压电陶瓷器件通常是在多场耦合条件下工作，但受限于传统力学性能测试仪器对于样品尺寸的要求，目前，关于力场条件下，特别是多场耦合条件下的压电陶瓷力学性能研究报道很少。综上所述，为了适应新型功能材料与器件的应用发展，迫切需要建立一种评价小样品在力电耦合条件下的力学性能的测试方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种评价小样品在力电耦合条件下的力学性能的测试装置。 本发明的另一个目的是提供一种采用该装置的测试方法。为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的力学性能测试装置，其特征在于包括上导向模，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。本发明的另一技术方案是提供了一种采用上述的力学性能测试装置的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，步骤为步骤I、搭建好上述的力学性能测试装置后，由高压电源通过所述下导向模及所述下承载模向样品施加不同幅值的交流电场或不同强度的直流电场；步骤2、在每种幅值的交流电场或每种强度的直流电场下，测量至少I个样品，测量时，通过所述压杆向每个样品施加力场直至该样品断裂，在此过程中，以固定的采样频率记录通过所述高精度载荷传感器及所述高精度位移传感器得到的位移和载荷，随后绘制位移-载荷曲线，该曲线的斜率为样品的弹性模量，在该曲线中找出样品断裂时加载的最大载荷P，计算得到该样品的断裂强度of。优选地，在所述步骤2后还包括步骤3、得到不同幅值的交流电场或不同强度的直流电场所对应的样品的不同断裂强度Of，绘制断裂强度Of随交流电场或直流电场变化的曲线。优选地，在步骤2中，在每种幅值的交流电场或每种强度的直流电场的交流电场下，测量至少3个样品，每种幅值的交流电场或每种强度的直流电场所对应的断裂强度σ f 为当前幅值的交流电场或当前强度的直流电场下所有样品的断裂强度σ f的均值。优选地，所述断裂强度σ f的计算公式为σ(=卷l-^-x^- + (l + r)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，其厚度为O. 3 O. 7mm，其为圆片或方片，圆片的直径为10mm、方片的边长为10mm。优选地，所述交流电场的幅值范围为0-1000V/mm，所述直流电场的电场强度范围为-600-600V/mm。优选地，所述力场的加载速率为0· 02-0. 05mm/min。优选地,所述采样频率为10pt/s。本发明的优点是本发明提供的测试设备结构简单，适用于小型片状材料，能真实反映压电陶瓷实际使用中在力电耦合场作用下的受力状态。本发明提供的力电耦合小样品测试方法是适合于评价小尺寸陶瓷材料力学性能的有效、方便和可靠的测试方法。
图I为本发明提供的一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的力学性能测试装置的较佳实施例的结构图；图2为PZT陶瓷的载荷-位移曲线；图3为PZT陶瓷的断裂强度随电场强度的变化；图4为PZT陶瓷的断裂强度随正的直流电场强度的变化；图5为PZT陶瓷的断裂强度随负的直流电场强度的变化。
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力学性能测试方法。在该方法中所使用的样品5通过以下方法获得采用市场购买的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. 3mm的样品5，并在两面分别镀上银电极。随后采用载荷控制，对样品5 (即PZT陶瓷)进行MSP (Modified Small Punch,改良型小冲压)强度测试，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施加不同幅值的交流电场，在本实施例中，交流电场的幅值分别为OV/mm、250V/mm、500V/mm、750V/mm、lOOOV/mm, 频率为50Hz ；步骤2、在每种幅值的交流电场下，测量5个样品5，测量时，通过压杆4向每个样品5施加力场直至该样品5断裂，加载速率为0. 05mm/min，在此过程中，以IOpt/ s的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，随后绘制位移-载荷曲线。位移-载荷曲线的斜率为样品5的弹性模量。在该曲线中找出样品5断裂时加载的最大载荷P，计算得到该样品5的断裂强度Of ;
权利要求
1.一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的力学性能测试装置，其特征在于包括上导向模(2)，在上导向模⑵上设有高精度载荷传感器(I)，上导向模(2)设于下导向模⑶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￠)，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。
2.一种采用如权利要求I所述的力学性能测试装置的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，步骤为步骤I、搭建好如权利要求I所述的力学性能测试装置后，由高压电源(9)通过所述下导向模⑶及所述下承载模⑵向样品(5)施加不同幅值的交流电场或不同强度的直流电场；步骤2、在每种幅值的交流电场或每种强度的直流电场下，测量至少I个样品(5)，测量时，通过所述压杆(4)向每个样品(5)施加力场直至该样品(5)断裂，在此过程中，以固定的采样频率记录通过所述高精度载荷传感器(I)及所述高精度位移传感器(8)得到的位移和载荷，随后绘制位移-载荷曲线，该曲线的斜率为样品(5)的弹性模量，在该曲线中找出样品(5)断裂时加载的最大载荷P，计算得到该样品(5)的断裂强度of。
3.如权利要求2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，其特征在于在所述步骤2后还包括步骤3、得到不同幅值的交流电场或不同强度的直流电场所对应的样品(5)的不同断裂强度Of，绘制断裂强度of随交流电场或直流电场变化的曲线。
4.如权利要求2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2中，在每种幅值的交流电场或每种强度的直流电场的交流电场下，测量至少3个样品(5)，每种幅值的交流电场或每种强度的直流电场所对应的断裂强度0f为当前幅值的交流电场或当前强度的直流电场下所有样品(5)的断裂强度Of的均值及弹性模量的均值。
5.如权利要求2至4中任一项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的计算公式为=^- l-^-x^r + (l + r)ln|，其中，a为所述下承载模(7)的内孔直径，b为所述压杆(4)的直径，t为所述样品(5)的厚度，Y为所述样品(5)的泊松比。
6.如权利要求2至4中任一项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，其厚度为O. 3 O. 7mm，其为圆片或方片，圆片的直径为10mm、方片的边长为10mm。
7.如权利要求2至4中任一项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范围为0-1000V/mm，所述直流电场的电场强度范围为-600-600V/mm。
8.如权利要求2至4中任一项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，其特征在于所述力场的加载速率为0. 02-0. 05mm/min。
9.如权利要求2至4中任一项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，其特征在于所述采样频率为lOpt/s。
全文摘要
本发明提供了一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的力学性能测试装置，其包括高精度载荷传感器，上导向模，下导向模，压杆，样品，上承载模，下承载模，高精度位移传感器及高压电源。本发明还提供了一种采用上述装置的力学性能测试方法。发明的优点是本发明提供的测试设备结构简单，适用于小型片状材料，能真实反映压电陶瓷实际使用中在力电耦合场作用下的受力状态。本发明提供的力电耦合小样品测试方法是适合于评价小尺寸陶瓷材料力学性能的有效、方便和可靠的测试方法。
文档编号G01N3/08GK102607953SQ20121006957
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