实验

实验二 压电功能陶瓷的制备与压电性能测试

实验目的与要求
了解压电功能陶瓷的制备过程和注意事项；
了解压电性能测试的实验原理；
掌握利用d33测试仪测试材料压电常数的方法。

实验原理与设备
1、实验原理
在没有外电场作用，满足电学短路条件，压电陶瓷试样沿极化方向受力时，其压电方程可简化为：
(2-1)
式中：D3——电位移分量，C/m2；
d33——纵向压电应变常数，C/N或m/V；
T3——纵向应力，N/m2；
当试样受力面积与释放电荷面积相等，并且接在试样上的电容C远大于试样的自由电容CT时，则公式(4-1)又可写成如下形式：
(4-2)
式中：d33——纵向压电应变常数，C/N或m/V；
Q3——试样释放压力后所产生的电荷量，C；
F3——试样在测量时所受的力，N；
C——与试样并联且比试样电容大很多的电容，F；
V——C两端的充电电压，V。
2、实验设备
电子天平、分析天平、蒸馏水制取机、行星式球磨机、SB手动式压片机、电热鼓风恒温干燥箱、SX2-12-17高温箱式电阻炉、2J-3AN型准静态d33测试仪、高压直流发生器等。
3、ZJ-3AN型准静态d33测量仪的测试方法
将试样放入图2-1所示上下探头的中心位置。由仪器本体提供电驱动信号，使测量头内的电磁驱动部分产生一个约0.25N，频率为110HZ的低频交变力；由于二者在力学上串联，所以受到的交变力相等。由正压电效应产生的两个压电信号再由仪器本体经过一系列信号处理后，最后把代表试样的d33常数和极性在数字面板上直接显示。

a 外观 b测量头原理
图2-1 ZJ-3AN型准静态d33测量仪
1-电磁驱动线圈，2-比较试样的上下电极，3-比较试样，4-绝缘柱，5-被测试样，6-上下探头，C1-被测试样并联电容，C2-比较试样并联电容，V1-被测试样输出电压，V2-比较试样输出电压，A1-被测试样前放，A2-被测试样前放

实验过程
概述
压电陶瓷是指经直流高压极化后，具有压电效应的铁电陶瓷材料。常见的压电陶瓷有BaTiO3陶瓷 、PbTiO3陶瓷等。 晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种由机械效应转换成电效应的过程称为正压电效应。晶体在受到外电场激励下产生形变，且二者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程称为逆压电效应。
材料压电性能的重要参数之一就是压电常数，压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。
压电陶瓷的制备与压电性能测试流程
图2-2

压电陶瓷的制备与压电性能测试流程图

选择实验室现有的原料（如：BaTiO3、Na0.5K0.5NbO3等），根据图2-2的制备流程，制备出合格的样品。然后，在试样的两个主平面上全部被覆上金属层作为电极，沿厚度方向进行极化处理，试样表面要平整，二主平面的平行度不大于厚度公差的一半。推荐试样尺寸为Φ10mm×5mm~Φ20mm×10mm。
试样应保持清沽、干燥。根据不同瓷料，极化后存放一定时间，并在本标准规定的环境条件下放置2h后进行测试。
压电常数的测试步骤
1）调零
a. 将两根多芯电缆办测量头和仪器本体连接好，接通电源。
b. 把附件盒内的20尼龙片插入上下探头之间，调节手轮，使尼龙片刚好压住为止。
c. 把仪器后面板上的“显示选择”开关置于d33一侧，此时前面板右上方的绿灯亮。如果置于力一侧，则黄灯亮，此时面板表上显示的是低频交变力值，0.25N左右。
d. 仪器后面板设有量程“选择开关”，一般置于“×1”档。
e. 按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调节“调零”旋钮使面板表指示在“0”与“-0”之间，调零完成。
2) 测量
调零完成后，撤掉尼龙片，换上试样开始测量。并将实验数据