CN107228990A - 压电材料压电系数的测试方法及测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料测试技术领域，提供了一种压电材料压电系数的测试方法及测试装置，测试方法包括：沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加拉力；获得沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加的拉力信号，并且获得上电极和下电极之间的电信号；根据获得的拉力信号确定在待测试样品上施加的作用力信号，且根据获得的电信号确定待测试样品受到拉力时产生的表面电荷密度；根据确定的表面电荷密度以及确定的作用力信号确定待测试样品的压电系数。上述测试装置和测试方法能够实现对压电聚合物等材料压电系数进行测试，适用性较高。
Description
技术领域
本发明涉及材料测试技术领域，特别涉及一种压电材料压电系数的测试方法及测试装置。
背景技术
近年来，由于压电聚合物在越来越多的领域内的广泛使用，对于压电聚合物的压电系数d31以及d33的测量也愈来愈成为了一个需要表征的重要参数。其中，d31用于表征厚度方向的电场引起的长度方向的形变程度，而d33用于表征厚度方向的电场引起的厚度方向的形变程度。
对于材料来说，相比较于压电陶瓷等硬质材料而言，对压电聚合物材料的压电系数d31、d33的测量是一个相对复杂的过程。
目前用于测量材料的压电系数d31、d33的工具基本上都是为压电陶瓷等硬度材料设计的，如d33测量仪(d33tester meter，联能科技有限公司)，阻抗分析仪(Keysight E4990阻抗分析仪)等，上述工具在对样品进行测量时需要被测样品的尺寸较厚，同时也要求其谐振频率较低等，但是，由于压电聚合物具有偏软的机械性能，并且“尺寸较厚”、“谐振频率较低”等是压电聚合物所不具备的，因此，现有技术中用于测量材料压电系数d31、d33的工具不适用于对压电聚合物进行测量，目前采用的测试装置和测试方法的适用性低。
因此，如何提供一种适用性较高的压电材料压电系数的测试方法及测试装置是本领域技术人员亟需解决的技术问题之一。
发明内容
本发明提供了一种压电材料压电系数的测试方法及测试装置，该测试方法及测试装置能够对压电聚合物等材料压电系数进行测试，适用性较高。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种压电材料压电系数的测试方法，包括：
沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加拉力，其中，所述待测试样品为片状或者薄膜状，且所述待测试样品相对的两个表面中，一个表面镀有上电极层，另一个表面镀有下电极层；
获得沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加的拉力信号，且获得上电极层和下电极层之间的电信号；
根据获得的拉力信号确定在待测试样品上施加的作用力信号，且根据获得的电信号确定待测试样品受到拉力时产生的表面电荷密度；
根据确定的表面电荷密度以及确定的作用力信号确定待测试样品的压电系数，其中，确定所述压电系数时利用下述公式计算：
diik＝D/F；
其中，diik是压电系数，D是表面电荷密度，F是施加的拉力。
上述测试方法中，待测试样品为片状或者薄膜状结构，且在待测试样品相对的两个侧面上分别镀有上电极层和下电极层，并且，对待测试样品施加的作用力是沿待测试样品的延展面施加的，其对待测试样品的厚度以及硬度等要求较低，当沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加拉力时由压电聚合物材料形成的待测试样品会产生电能，然后通过待测试样品上设置的上电极层和下电极层对待测试样品上产生的电能的电信号进行检测，通过检测到的待测试样品产生的电信号确定待测试样品产生的表面电荷密度，然后，根据确定的对待测试样品施加的拉力产生的作用力信号以及上述表面电荷密度来确定有压电聚合物材料形成的待测试样品的压电系数，因此，上述测试方法能够对压电聚合物等材料压电系数进行测试，适用性较高。
优选地，所述沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加拉力，包括：
生成模块生成振动信号；
控制机械振动装置根据所述振动信号为待测试样品施加拉力。
优选地，在所述振动信号传输至所述机械振动装置之前，还包括：
对振动信号进行放大。
优选地，所述振动信号为周期性信号或非周期性信号。
优选地，所述振动信号为正弦信号、三角波信号或矩形信号。
优选地，所述待测试样品为长带状薄膜，其中，所述待测试样品：长度为1cm-10cm、宽度为0.5cm-2cm、厚度为0.01mm-0.1mm。
优选地，所述上电极层的厚度为10nm-500nm，所述下电极层的厚度为10nm-500nm。
优选地，所述上电极层的材料为铝、金、银、或者导电聚合物，和/或，所述下电极层的材料为铝、金、银、或者导电聚合物。
优选地，所述拉力信号为由拉力转换为的电信号，所述根据获得的拉力信号确定在待测试样品上施加的作用力信号包括：
根据由拉力信号转换的电信号确定在待测试样品上施加的作用力信号。
本发明还提供了一种压电材料压电系数的测试装置，包括：
支架：
夹具组件：安装于所述支架、用于沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧夹持待测试样品的夹具组件；
动力模块：安装于所述支架的动力模块，用于沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加拉力；
拉力检测模块：用于获得沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加的拉力信号；
电信号获得模块：用于获得上电极层和下电极层之间的电信号；
处理模块：用于根据获得的拉力信号确定在待测试样品上施加的作用力信号，且根据获得的电信号确定待测试样品受到拉力时产生的表面电荷密度；根据确定的表面电荷密度以及确定的作用力信号利用下述公式确定压电聚合物的压电系数：
diik＝D/F；
其中，diik是压电系数，D是表面电荷密度，F是施加的拉力。
优选地，所述动力模块包括：
振动信号生成装置，用于生成振动信号；
安装于所述支架的机械振动装置，所述机械振动装置与所述振动信号生成装置信号连接，用于根据所述振动信号沿待测试样品的延展面为待测试样品施加拉力。
优选地，所述支架包括第一支撑架和第二支撑架，所述夹具组件包括第一夹具和第二夹具；其中：
所述机械振动装置安装于所述第一支撑架，所述第一夹具固定于所述动力模块；
所述第二夹具安装于所述第二支撑台，且所述拉力检测模块安装于所述第二支撑台与所述第二夹具之间。
优选地，所述机械振动装置通过升降装置可沿竖直方向位置可调地安装于所述第一支撑架。
优选地，所述第二夹具通过二维平移机构安装于所述第二支撑架、以使第二夹具在所述待测试样品的延展方向所在平面内位置可调。
优选地，所述拉力检测模块安装于所述第二夹具。
优选地，所述振动信号生成装置为锁相放大器或者函数发生器。
优选地，所述振动信号生成装置与所述机械振动装置之间镀有功率放大器，用于在所述振动信号传输至所述机械振动装置之前对振动信号进行放大。
优选地，所述功率放大器为音频放大器或者射频功率放大器。
优选地，所述第一夹具和所述第二夹具之间的距离为1-5cm。
优选地，所述电信号获得模块为锁相放大器或静电仪。
优选地，所述支架还包括承载平台，所述第一支撑架和第二支撑架沿所述承载平台中承载面的延展面内位置可调地安装于所述承载平台。
优选地，所述第一支撑架与所述承载平台之间通过磁性组件磁性连接，和/或，所述第二支撑架与所述承载平台之间通过磁性组件磁性连接。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的压电材料压电系数的测试方法的流程示意图；
图2为本发明提供的压电材料压电系数的测试装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种压电聚合物压电系数的测试方法及测试装置，该测试方法及测试装置能够对压电聚合物的压电系数进行测试。
具体地，下述将结合附图对本发明实施例提供的结构以及原理进行描述。
请参考图1，本发明实施例提供的压电聚合物压电系数的测试方法，包括：
步骤S101，沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加拉力，其中，所述待测试样品为片状或者薄膜状，且所述待测试样品相对的两个表面中，一个表面镀有上电极层，另一个表面镀有下电极层；
步骤S102，获得沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加的拉力信号，且获得上电极层和下电极层之间的电信号；
步骤S103，根据获得的拉力信号确定在待测试样品上施加的作用力信号，且根据获得的电信号确定待测试样品受到拉力时产生的表面电荷密度；
步骤S104，根据确定的表面电荷密度以及确定的作用力信号确定待测试样品的压电系数，其中，确定所述压电系数时利用下述公式计算：
diik＝D/F；
其中，diik是压电系数，D是表面电荷密度，F是施加的拉力。
上述测试方法中，待测试样品为片状或者薄膜状结构，且在待测试样品相对的两个侧面上分别镀有上电极层和下电极层，并且，对待测试样品施加的作用力是沿待测试样品的延展面施加的，其对待测试样品的厚度以及硬度等要求较低，当沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加拉力时由压电聚合物材料形成的待测试样品会产生电能，然后通过待测试样品上设置的上电极层和下电极层对待测试样品上产生的电能的电信号进行检测，通过检测到的待测试样品产生的电信号确定待测试样品产生的表面电荷密度，然后，根据确定的对待测试样品施加的拉力产生的作用力信号以及上述表面电荷密度来确定有压电聚合物材料形成的待测试样品的压电系数，因此，上述测试方法能够对压电聚合物等材料压电系数进行测试，适用性较高。
当然，上述测试方法中，步骤S101中的待测试样品可以是事先加工好的，还可以是现场制作的，这样，上述测试方法在步骤S101之前还可以包括：在片状或者薄膜状的样品中相对的两个表面上分别形成上电极层和下电极层；形成上电极层和下电极层时可以采用气相沉积的工艺实现。
一种优选实施方式中，上述步骤S101中，沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加拉力，可以包括：
振动信号生成装置生成振动信号；
控制机械振动装置根据振动信号为待测试样品施加拉力。
上述步骤S101中具体可以通过机械振动装置为待测试样品施加拉力，机械振动装置的主要功能是沿待测试样品延展面方向振动，进而为待测试样品提供沿待测试样品延展面方向的拉力。
当然，在振动信号传输至机械振动装置之前，还包括步骤：对振动信号进行放大。这样，能够减小振动信号生成装置的功率，进而能够减小测试时的能耗。
具体地，振动信号生成装置生成的振动信号可以为周期性信号，也可以为非周期性信号，这里不做限定。
更具体地，振动信号生成装置生成的振动信号可以具体为正弦信号、三角波信号或矩形信号。
一种优选实施方式中，具有片状或者薄膜状结构的待测试样品的尺寸范围没有特殊限定，如待测样品的尺寸中，长度可以为1cm-10cm、宽度可以为0.5cm-2cm、厚度可以为0.01mm-0.1mm。
同时，上述待测试样品上设置的上电极层和下电极层的厚度可以相同，也可以不同，具体地，上电极层的厚度为10nm-500nm，下电极层的厚度为10nm-500nm。
更具体地，上电极层的材料可以为铝、金、银、或者导电聚合物，和/或，下电极层的材料为铝、金、银、或者导电聚合物。
一种优选实施方式中，上述步骤S103中获得的拉力信号为由拉力转换为的电信号，则上述步骤S103确定在待测试样品上施加的作用力信号，具体包括：
根据由拉力信号转换的电信号确定在待测试样品上施加的作用力信号。
请参考图2，本发明另一实施例提供的测试装置包括：
支架2：
夹具组件：安装于支架2、用于沿待测试样品A的延展面在待测试样品A相对的两侧夹持待测试A样品的夹具组件4；
动力模块：安装于支架2的动力模块3，用于沿待测试样品A的延展面在待测试样品A相对的两侧施加拉力；
拉力检测模块5：用于获得沿待测试样品A的延展面在待测试样品A相对的两侧施加的拉力信号；
电信号获得模块6：用于获得待测试样品A镀有的上电极层和下电极层之间的电信号；
处理模块7：用于根据获得的拉力信号确定在待测试样品A上施加的作用力信号，且根据获得的电信号确定待测试样品A受到拉力时产生的表面电荷密度；根据确定的表面电荷密度以及确定的作用力信号利用下述公式确定压电聚合物的压电系数：
diik＝D/F；
其中，diik是压电系数，D是表面电荷密度，F是施加的拉力。
当使用上述测试装置对压电材料的待测试样品A的压电系数进行测试时，沿待测试样品A的延展面，可以通过夹具组件4自待测试样品A相对的两侧夹持待测试样品A，如图2中所示，然后通过动力模块3沿待测试样品A的延展面在待测试样品A相对的两侧施加拉力，然后通过拉力检测模块5获得待测试样品A上施加的拉力信号，并且通过电信号获得模块6获得待测试样品A上设置的上电极层和下电极层之间的电信号，最后，通过处理模块7根据获得拉力信号确定作用力信号，并且根据获得的电信号确定待测试样品受到拉力时产生的表面电荷密度，最后，根据确定的表面电荷密度以及确定的作用力信号利用下述公式确定压电聚合物的压电系数：
diik＝D/F；
其中，diik是压电系数，D是表面电荷密度，F是施加的拉力。
因此，上述测试装置在工作过程中，沿待测试样品A的延展面通过夹具组件4自待测试样品A相对的两侧夹持待测试样品A，并且通过动力模块3沿待测试样品A的延展面在待测试样品A相对的两侧施加拉力，因此，上述测试装置对压电材料进行压电系数测试时对待测试样品的厚度以及硬度等要求较低，因此，能够对压电聚合物等材料压电系数进行测试，适用性较高。
一种具体实施方式中，上述动力模块3包括：
振动信号生成装置32，用于生成振动信号；
安装于支架2的机械振动装置31，机械振动装置31与振动信号生成装置32信号连接，用于根据振动信号沿待测试样品A的延展面为待测试样品A施加拉力。
机械振动装置31为待测试样品A提供横向的作用力，进而能够沿待测试样品A的延展面为待测试样品A提供沿拉伸作用力。
一种实施方式中，如图2所示，上述支架2包括第一支撑架21和第二支撑架22，夹具组件4包括第一夹具41和第二夹具42；其中：
机械振动装置31安装于第一支撑架21，第一夹具41固定于动力模块4上，具体地，固定于机械振动装置31上，进而能够被机械振动装置31驱动进而为待测试样品A提供拉伸力；
第二夹具42安装于第二支撑台22，且拉力检测模块5安装于第二支撑台22与第二夹具42之间，进而，当机械振动装置31通过第一夹具41为待测试样品A提供拉伸力时，拉力检测模块5能够检测通过第二夹具42传递过来的拉力。
具体地，为了能够实时调整第一夹具41沿竖直方向上的位置，以使第一夹具41和第二夹具42夹持待测试样品A时使待测试样品A能够处于水平位置，机械振动装置31具体通过升降装置211可沿竖直方向位置可调地安装于第一支撑架21。
进一步地，为了使第二夹具42与第一夹具41之间的配合间隙可调，如图2所示，第二夹具42可以通过二维平移机构221安装于第二支撑架22、以使第二夹具42在待测试样品A的延展方向所在平面内位置可调。
更进一步地，第二夹具42安装于二维平移机构221上设置的支撑台222上。
在上述各实施方式的基础上，上述振动信号生成装置32可以为锁相放大器或者函数发生器。
具体地，振动信号生成装置32与机械振动装置31之间镀有功率放大器33，用于在振动信号传输至机械振动装置31之前对振动信号进行放大。
更具体地，上述功率放大器33可以为音频放大器或者射频功率放大器。
一种具体实施方式中，由于待测试样品A的尺寸范围没有特殊限定，可以为长度1-5cm、宽度0.5-2cm的长带状薄膜，因此，第一夹具41和第二夹具42之间的距离需要与待测试样品A的尺寸对应，为1cm-5cm。
具体地，上述电信号获得模块6可以为锁相放大器或静电仪。
如图2所示，在上述各实施方式的基础上，支架2还可以包括承载平台1，第一支撑架21和第二支撑架22沿承载平台1中承载面的延展面内位置可调地安装于承载平台1。
具体地，第一支撑架21与承载平台1之间可以通过磁性组件磁性连接，和/或，第二支撑架22与承载平台1之间可以通过磁性组件磁性连接。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (22)
1.一种压电材料压电系数的测试方法，其特征在于，包括：
沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加拉力，其中，所述待测试样品为片状或者薄膜状，且所述待测试样品相对的两个表面中，一个表面镀有上电极层，另一个表面镀有下电极层；
获得沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加的拉力信号，且获得上电极层和下电极层之间的电信号；
根据获得的拉力信号确定在待测试样品上施加的作用力信号，且根据获得的电信号确定待测试样品受到拉力时产生的表面电荷密度；
根据确定的表面电荷密度以及确定的作用力信号确定待测试样品的压电系数，其中，确定所述压电系数时利用下述公式计算：
diik＝D/F；
其中，diik是压电系数，D是表面电荷密度，F是施加的拉力。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加拉力，包括：
振动信号生成装置生成振动信号；
控制机械振动装置根据所述振动信号为待测试样品施加拉力。
3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，在所述振动信号传输至所述机械振动装置之前，还包括：
对振动信号进行放大。
4.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述振动信号为周期性信号或非周期性信号。
5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述振动信号为正弦信号、三角波信号或矩形信号。
6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述待测试样品的尺寸中，长度为1cm-10cm、宽度为0.5cm-2cm、厚度为0.01mm-0.1mm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的测试方法，其特征在于，所述上电极层的厚度为10nm-500nm，所述下电极层的厚度为10nm-500nm。
8.根据权利要求1-6任一项所述的测试方法，其特征在于，所述上电极层的材料为铝、金、银、或者导电聚合物，和/或，所述下电极层的材料为铝、金、银、或者导电聚合物。
9.根据权利要求1-6任一项所述的测试方法，其特征在于，所述拉力信号为由拉力转换为的电信号，所述根据获得的拉力信号确定在待测试样品上施加的作用力信号包括：
根据由拉力信号转换的电信号确定在待测试样品上施加的作用力信号。
10.一种压电材料压电系数的测试装置，其特征在于，包括：
支架；
安装于所述支架、用于沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧夹持待测试样品的夹具组件，所述待测试样品为片状或者薄膜状；
安装于所述支架的动力模块，用于沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加拉力；
拉力检测模块，用于获得沿待测试样品的延展面在待测试样品相对的两侧施加的拉力信号；
电信号获得模块，用于获得上电极层和下电极层之间的电信号；
处理模块，用于根据获得的拉力信号确定在待测试样品上施加的作用力信号，且根据获得的电信号确定待测试样品受到拉力时产生的表面电荷密度；根据确定的表面电荷密度以及确定的作用力信号利用下述公式确定压电聚合物的压电系数：
diik＝D/F；
其中，diik是压电系数，D是表面电荷密度，F是施加的拉力。
11.根据权利要求10所述的测试装置，其特征在于，所述动力模块包括：
振动信号生成装置，用于生成振动信号；
安装于所述支架的机械振动装置，所述机械振动装置与所述振动信号生成装置信号连接，用于根据所述振动信号沿待测试样品的延展面为待测试样品施加拉力。
12.根据权利要求11所述的测试装置，其特征在于，所述支架包括第一支撑架和第二支撑架，所述夹具组件包括第一夹具和第二夹具；其中：
所述机械振动装置安装于所述第一支撑架，所述第一夹具固定于所述动力模块；
所述第二夹具安装于所述第二支撑台，且所述拉力检测模块安装于所述第二支撑台与所述第二夹具之间。
13.根据权利要求12所述的测试装置，其特征在于，所述机械振动装置通过升降装置可沿竖直方向位置可调地安装于所述第一支撑架。
14.根据权利要求12所述的测试装置，其特征在于，所述第二夹具通过二维平移机构安装于所述第二支撑架、以使第二夹具在所述待测试样品的延展方向所在平面内位置可调。
15.根据权利要求12所述的测试装置，其特征在于，所述振动信号生成装置为锁相放大器或者函数发生器。
16.根据权利要求12所述的测试装置，其特征在于，所述振动信号生成装置与所述机械振动装置之间镀有功率放大器，用于在所述振动信号传输至所述机械振动装置之前对振动信号进行放大。
17.根据权利要求16所述的测试装置，其特征在于，所述功率放大器为音频放大器或者射频功率放大器。
18.根据权利要求12所述的测试系统，其特征在于，所述第一夹具和所述第二夹具之间的距离为1-5cm。
19.根据权利要求12所述的测试系统，其特征在于，所述电信号获得模块安装于所述第一夹具或者第二夹具。
20.根据权利要求11所述的测试系统，其特征在于，所述电信号获得模块为锁相放大器或静电仪。
21.根据权利要求12-20任一项所述的测试装置，其特征在于，所述支架还包括承载平台，所述第一支撑架和第二支撑架沿所述承载平台中承载面的延展面内位置可调地安装于所述承载平台。
22.根据权利要求21所述的测试装置，其特征在于，所述第一支撑架与所述承载平台之间通过磁性组件磁性连接，和/或，所述第二支撑架与所述承载平台之间通过磁性组件磁性连接。
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