Зачем нужно проводить электродеформационные испытания функциональной керамики?

Традиционная конструкционная керамика (например, оксид алюминия, нитрид кремния) в основном используется для переноса или изоляции и обычно не имеет значительного эффекта электрической и силовой связи. Тем не менее, функциональная керамика - особенно ферроэлектрическая / пьезоэлектрическая (например, циркониевая титанат свинца PZT, титанат бария BaTiOå и т. Д.) - может производить обратимые микродеформации (т. е. деформации) под действием внешнего электрического поля, что составляет основу для ее широкого применения в современных интеллектуальных устройствах, включая ультразвуковые преобразователи, приводы, датчики и исполнительные устройства.

Для научной оценки деформационной способности, линейности реакции, запаздывающего поведения и повторяемости таких материалов при возбуждении электрическим полем требуется систематический тест на реакцию электрического поля - деформации, выход которого - электрический петля деформации (Electrostrain Hysteresis Loop). Эта петля не только отражает движущие свойства материала, но и содержит богатую информацию о микромеханизмах.

Определение и физическое значение электрической петли деформации

1.Что такое электрическая линия напряжения?

Электрическая петля деформации относится к замкнутой кривой, образованной деформацией (S) с периодическими изменениями в дополнительном электрическом поле (E). Типичные характеристики включают:

Пик деформации наблюдается как в положительных, так и в отрицательных областях электрического поля;

Общая симметричная или асимметричная двухпиковая петлевая структура;

В петлях появляется явление « усадки шеи» (pinching), особенно в релаксационных ферроэлектриках.

Эта петля интуитивно раскрывает весь процесс электромеханической реакции материала в переменном электрическом поле и является ключевой основой для оценки его применимости в качестве приводного или сенсорного материала.

2. Анализ физических механизмов

Электрические деформации возникают в основном из двух типов физических эффектов:

Обратный пьезоэлектрический эффект (Converse Piezoelectric Effect):

Существует в поляризованной железо - электрической керамике. Электрическое поле вызывает искажения решетки, создавая приближенные линейные деформации, которые имеют ориентационную зависимость. Символы деформации при положительном и отрицательном электрическом поле противоположны.

Электротелескопический эффект (Electrostriction):

Широко распространен во всех диэлектрических материалах, особенно в релаксационных ферроэлектриках. Деформация прямо пропорциональна квадрату электрического поля, без полярной зависимости, положительное и отрицательное электрическое поле генерирует одну и ту же деформацию.

Поэтому:

Неполяризованная или релаксационная керамика (например, PMN - PT): в основном электротелескопическая, петля очень симметрична;

Полностью поляризованная пьезоэлектрическая керамика (например, PZT): обратный пьезоэлектрический эффект накладывается на электрическую экструзию, петли часто имеют асимметричную форму.

III. Методы тестирования

1. Состав тестовой системы

Полная система испытаний электрической деформационной петли состоит из следующих модулей:

Источник сигнала высокого давления: переменное электрическое поле с напряжением до нескольких тысяч вольт (обычно синусоидальные или треугольные волны);

Датчики смещения / деформации:

Лазерный виброметр - бесконтактное, нанометровое разрешение;

Элемент мониторинга электрического поля: применение напряжения путем измерения зондом высокого давления и расчет интенсивности электрического поля в сочетании с толщиной образца (d) (E = V / d);

Синхронная система сбора данных: регистрация электрического поля и сигнала деформации в режиме реального времени, генерирующая петлю S - E.

2. Требования к подготовке образцов

Геометрия: обычно пластины для обеспечения равномерности электрического поля и снижения риска пробоя;

Подготовка электродов: с обеих сторон должны быть подготовлены проводящие электроды, обычно используемые методы включают цементацию серебряной плазмы, магнитное распыление золота или платины;

Поляризация: Если необходимо изучить обратный пьезоэлектрический эффект, образец должен быть поляризован при высоких температурах с высоким полем постоянного тока и статическим старением более 24 часов для стабилизации производительности.

Ключевые параметры электротензотропа

деформация: переменная формы, которую материал может достичь в заданном электрическом поле, непосредственно определяет способность привода к смещению;

Остаточная деформация: остаточная деформация после возвращения электрического поля к нулю, отражающая необратимую деформацию или степень привязки к стенке домена;

симметрия петли: симметрия → в основном электрическая растяжка; Асимметрия → содержит значительный обратный пьезоэлектрический вклад;

Степень усадки шеи (pinching): чем более выраженная усадка шеи, тем больше она указывает на то, что поляризованное опрокидывание блокируется, часто встречается в релаксационных ферроэлектриках или многофазных системах сосуществования;

Площадь петли: размер индикаторных потерь и запаздывания, чем больше площадь, тем ниже точность управления.

V. Применение и значение

Электрические испытания в области научных исследований и инженерии:

Разработка и скрининг материалов: быстрое сравнение характеристик привода различных компонентов;

Моделирование и проектирование устройств: предоставление модели соотношения вход (электрическое поле) - выход (деформация) для привода, платформы микросмещения и т. Д.;

микромеханические исследования: анализ динамики опрокидывания доменов ферроэлектроники, фазового поведения и т. Д. посредством эволюции петли;

Оценка надежности: После миллионов циклов электрического поля наблюдайте за деградацией петли и прогнозируйте срок службы устройства.

Тестирование электротензоэлектрической петли в качестве основного средства отображения характеристик электромеханической связи ферроэлектрической / пьезоэлектрической керамики не только раскрывает макроскопическую реакцию материала под действием внешнего поля, но и связывает микроструктуру с макрофункцией.

Железоэлектрическая испытательная система измерительного прибора Huao уже имеет высоковольтный привод, обнаружение смещения наноуровня и многопараметрический синхронный анализ, может завершить полный цикл измерения электрической деформационной петли, чтобы обеспечить прочную поддержку функциональной керамики от лаборатории до индустриализации.