CN102607972A - 用于压电陶瓷力电耦合条件下的动态疲劳性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的动态疲劳性能测试方法，该方法通过改变力学加载速度间接获得材料的裂纹扩展性能，从而得到材料的动态疲劳性能。在测试过程中，在样品的两端引入一个电场，具体根据实际使用情况选择电场大小，保证能真实的模拟压电陶瓷服役时的力电耦合状态，并根据模型预测材料的实际使用寿命。本发明的测试方法的测试简单，适用于小型片状材料，节省测试成本；样品固定方便，可以很精确地测得材料的位移和受力；还可选择施加的电场类型，精确控制施加电场的大小，并获得压电材料在力电耦合条件下的动态疲劳性能。

Description

用于压电陶瓷力电耦合条件下的动态疲劳性能测试方法

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动态疲劳性能测试方法，能测试力电耦合加载下的动态疲劳，适用于微电子领域力电耦合条件下小样品动态疲劳性能的评价。

背景技术

疲劳是指材料长期在低于其断裂强度的承载应力作用下强度劣化的一种现象。目前，很难用直接的方法测试出材料的疲劳性能，现在一般都采用间接法测试材料的疲劳性能，这个疲劳也被称为材料的动态疲劳性能。传统的测试动态疲劳通常采用预制裂纹的单向拉伸和弯曲试验法研究陶瓷材料的动态疲劳，然而，随着功能陶瓷材料及其元器件的片式化和微型化发展趋势，陶瓷材料多是薄板或片状，如陶瓷涂层、基板等，无法得到标准尺寸的测试样品，此外，压电陶瓷在大多数的应用中，都是在力场和电场的耦合条件下服役，力电耦合作用是其结构破坏和压电失效的主要原因，单独通过测试力学动态疲劳很难准确地反映材料疲劳性能。目前，虽然有一些关于力电耦合条件下压电陶瓷疲劳性能的研究，但是由于实验设备和评价平台的限制，一般难以模拟压电陶瓷小样品在力电耦合条件下的疲劳性能。

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动态疲劳性能的测试方法。

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动态疲劳性能的测试方法。

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动态疲劳性能测试方法，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1、由高压电源通过下导向模及下承载模向样品施加电场；

步骤2、通过压杆向样品施加力场直至样品断裂，施加力场时，采用不同的加载速率，不同的加载速率对应不同的采样频率，以不同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在不同的加载速率下得到的位移和载荷，随后得到不同的加载速率所对应的不同断裂强度σ_f，根据断裂强度σ_f的对数与加载速率的对数之间的线性关系，得到裂纹扩展指数；

步骤3、根据裂纹扩展指数，计算得到不同断裂强度所对应的样品寿命点，以寿命为X轴，断裂强度为Y轴建立直角坐标系，在该坐标系中标出不同断裂强度所对应的寿命，将所有点拟合成一条直线，即为强度-寿命曲线，通过该曲线就可以得到在一定力电耦合条件下所对应的使用寿命。

优选地，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断裂时加载的最大载荷P，则：

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，γ为所述样品的泊松比。

优选地，在步骤2中，测量至少3个样品，不同的加载速率所对应的不同断裂强度σ_f为同一的加载速率下所有样品的断裂强度σ_f的均值，在步骤3中，剩余寿命为同一的加载速率下所有样品的剩余寿命。

优选地，所述样品为圆片或方片，其厚度为0.3-0.7mm，圆片直径为10mm，方片边长为10mm。

优选地，所述电场为交流电场，其幅值范围为0～700V/mm。

优选地，所述力场的加载速率为0.0002～5mm/min，所述采样频率为1～500pt/s。

本发明采用直接在测试力学性能上直接加载电场，加载的电场可为交变电场和恒稳电场，通过在测试力学性能时把电场耦合进去，测试材料的力学性能变化，根据模型推导预测材料的疲劳寿命变化。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动态疲劳寿命的新方法。

本发明的优点是：1、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的实际受力情况；2、本发明的力电耦合小样品动态疲劳测试方法是适合于评价小样品材料力电耦合下疲劳性能的有效、方便和可靠的测试方法。

附图说明

图1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陶瓷在力电耦合条件下的不同载荷速率下PZT陶瓷的断裂强度；

图3为PZT52/48陶瓷在力电耦合条件下的1gσ_f与1g(dσ/dt)的关系；

图4为PZT52/48陶瓷在力电耦合条件下的寿命曲线；

图5为PZT52/48陶瓷在不同载荷速率下PZT陶瓷的断裂强度；

图6为PZT52/48陶瓷的1gσ_f与1g(dσ/dt)的关系；

图7为PZT52/48陶瓷的寿命曲线。

具体实施方式

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1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1，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6由透明的绝缘的树脂材料制得。

以下实施例中的MSP英文全称为Modified Small Punch，是指改良型小冲压，该测试方法是小样品测试技术中具有代表性的试验方法，小冲压方法适合于评价金属等韧性材料的力学性能，通过对模具的改造，MSP方法可以评价多种材料，尤其适合于评价陶瓷等脆性材料的力学性能。

实施例1

本实施例公开了一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的动态疲劳性能测试方法。在该方法中，所使用的样品通过以下方法获得：采用市场购买的PZT52/48块体压电陶瓷，切出厚度约为1mm，边长为10mm的方片，然后经过粗磨、细磨，最后采用1μm的金刚石单面抛光制成厚度约为0.3mm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MSP强度测试，其步骤为：

步骤1、由高压电源9通过下导向模3及下承载模7向样品5施加电场，在本实施例中，电场为交流电场，其幅值为700V/mm、频率为50Hz。

步骤2、通过压杆4向样品5施加力场直至样品5断裂，施加力场时，采用的加载速率分别为0.0005、0.005、0.05、0.5和5mm/min，其对应的采样频率分别为1、10、20、100、500pt/s，在每个加载速率下对5个样品5进行测试，记录每个样品5通过高精度载荷传感器1及高精度位移传感器8在不同的加载速率下得到的位移和载荷，随后绘制位移-载荷曲线。在该曲线中找出每个样品5断裂时加载的最大载荷P，计算得到每个样品5的断裂强度σ_f，

其中，a为下承载模7的内孔直径，b为压杆4的直径，t为样品5的厚度，γ为所述样品5的泊松比。对5个样品5的断裂强度σ_f取均值，分别得到0.0005、0.005、0.05、0.5和5mm/min的加载速率下所对应的不同断裂强度σ_f。图2为PZT52/48陶瓷在力电耦合条件下的不同加载速率下PZT陶瓷的断裂强度。对图2中每个加载速率下的5个样品的断裂强度σ_f进行统计得到不同加载速率所对应的断裂强度均值，由于断裂强度的对数与加载速率的对数呈线性关系，因此，再根据得到的断裂强度均值及所对应的加载速率作图，得到图3，在图3中统计断裂强度取dσ/dt表示加载速率。由图3得到PZT陶瓷在幅值为700V/mm、频率为50Hz的交流电场下的裂纹扩展指数n为39。

步骤3、根据裂纹扩展指数，再结合不同加载速率所对应的断裂强度均值得到样品在0.0005、0.005、0.05、0.5和5mm/min的加载速率下所对应的寿命，以寿命及断裂强度为坐标轴建立坐标系，在该坐标系上标出不同的断裂强度及其对应寿命所对应的点，将所有点拟合成一条直线，即为强度-寿命曲线，如图4所示，通过该曲线就可以得到在一定力电耦合条件下所对应的使用寿命。通过图4可以得出，PZT52/48陶瓷在21MPa的应力和幅值为700V/mm、频率为50Hz的交流电场耦合作用下，它的使用寿命为1年，在9MPa的应力和幅值为700V/mm、频率为50Hz的交流电场耦合作用下，它的使用寿命为10年。

实施例2

本实施例公开了一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的动态疲劳性能测试方法。在该方法中，所使用的样品通过以下方法获得：采用市场购买的PZT52/48块体压电陶瓷，切出厚度约为1mm，直径10mm的圆片，然后经过粗磨、细磨，最后采用1μm的金刚石单面抛光制成厚度约为0.4mm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MSP强度测试，其步骤为：

步骤1、由高压电源9通过下导向模3及下承载模7向样品5施加电场，在本实施例中，电场为交流电场，其幅值为700V/mm、频率为50Hz。

步骤2、通过压杆4向样品5施加力场直至样品5断裂，施加力场时，采用的加载速率分别为0.0002、0.002、0.02、0.2和2mm/min，其对应的采样频率分别为1、10、20、100、500pt/s，在每个加载速率下对5个样品5进行测试，记录每个样品5通过高精度载荷传感器1及高精度位移传感器8在不同的加载速率下得到的位移和载荷，随后绘制位移-载荷曲线。在该曲线中找出每个样品5断裂时加载的最大载荷P，计算得到每个样品5的断裂强度σ_f，

其中，a为下承载模7的内孔直径，b为压杆4的直径，t为样品5的厚度，γ为所述样品5的泊松比。对5个样品5的断裂强度σ_f取均值，分别得到0.0002、0.002、0.02、0.2和2mm/min的加载速率下所对应的不同断裂强度σ_f。图5为PZT52/48陶瓷在不同载荷速率下PZT陶瓷的断裂强度；由图5得到PZT52/48陶瓷的1gσ_f与1g(dσ/dt)的关系，具体见图6。由图可求出PZT52/48陶瓷的裂纹扩展指数为18。

步骤3、根据裂纹扩展指数，再结合不同加载速率所对应的断裂强度均值得到样品在0.0002、0.002、0.02、0.2和2mm/min的加载速率下所对应的寿命，以寿命及断裂强度为坐标轴建立坐标系，在该坐标系上标出不同的断裂强度及其对应寿命所对应的点，将所有点拟合成一条直线，即为强度-寿命曲线，如图7所示，通过该曲线就可以得到在一定力电耦合条件下所对应的使用寿命。通过图7可以得出，PZT52/48陶瓷在88MPa的应力作用下，它的使用寿命为1年，在80MPa的应力作用下，它的使用寿命为10年。

Claims (6)

1.一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的动态疲劳性能测试方法，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(1)，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(6)由透明的绝缘的树脂材料制得，其特征在于，步骤为：

步骤1、由高压电源(9)通过下导向模(3)及下承载模(7)向样品(5)施加电场；

步骤2、通过压杆(4)向样品(5)施加力场直至样品(5)断裂，施加力场时，采用不同的加载速率，不同的加载速率对应不同的采样频率，以不同采样频率记录通过高精度载荷传感器(1)及高精度位移传感器(8)在不同的加载速率下得到的位移和载荷，随后得到不同的加载速率所对应的不同断裂强度σ_f，根据断裂强度σ_f的对数与加载速率的对数之间的线性关系，得到裂纹扩展指数；

步骤3、根据裂纹扩展指数，计算得到不同断裂强度所对应的样品寿命点，以寿命为X轴，断裂强度为Y轴建立直角坐标系，在该坐标系中标出不同断裂强度所对应的寿命，将所有点拟合成一条直线，即为强度-寿命曲线，通过该曲线就可以得到在一定力电耦合条件下所对应的使用寿命。

2.如权利要求1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：

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，γ为所述样品(5)的泊松比。

3.如权利要求1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，测量至少3个样品(5)，不同的加载速率所对应的不同断裂强度σ_f为同一的加载速率下所有样品(5)的断裂强度σ_f的均值，在步骤3中，剩余寿命为同一的加载速率下所有样品(5)的剩余寿命。

4.如权利要求2至3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)为圆片或方片，其厚度为0.3-0.7mm，圆片直径为10mm，方片边长为10mm。

5.如权利要求2至3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：所述电场为交流电场，其幅值范围为0～700V/mm。

6.如权利要求2至3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0.0002～5mm/min，所述采样频率为1～500pt/s。

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