[發明專利]用于壓電陶瓷力電耦合條件下的動態疲勞性能測試方法

無效

• 申請號: 201210069569.4
• 申請日: 2012-03-15
• 公開（公告）號: CN102607972A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 江莞;鄧啟煌;王連軍;李耀剛;張青紅;王宏志
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: G01N3/34
• 分類號: G01N3/34
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;柏子雵

技術領域

本發明涉及一種用于壓電陶瓷力電耦合條件下的動態疲勞性能測試方法，能測試力電耦合加載下的動態疲勞，適用于微電子領域力電耦合條件下小樣品動態疲勞性能的評價。

背景技術

疲勞是指材料長期在低于其斷裂強度的承載應力作用下強度劣化的一種現象。目前，很難用直接的方法測試出材料的疲勞性能，現在一般都采用間接法測試材料的疲勞性能，這個疲勞也被稱為材料的動態疲勞性能。傳統的測試動態疲勞通常采用預制裂紋的單向拉伸和彎曲試驗法研究陶瓷材料的動態疲勞，然而，隨著功能陶瓷材料及其元器件的片式化和微型化發展趨勢，陶瓷材料多是薄板或片狀，如陶瓷涂層、基板等，無法得到標準尺寸的測試樣品，此外，壓電陶瓷在大多數的應用中，都是在力場和電場的耦合條件下服役，力電耦合作用是其結構破壞和壓電失效的主要原因，單獨通過測試力學動態疲勞很難準確地反映材料疲勞性能。目前，雖然有一些關于力電耦合條件下壓電陶瓷疲勞性能的研究，但是由于實驗設備和評價平臺的限制，一般難以模擬壓電陶瓷小樣品在力電耦合條件下的疲勞性能。

綜上所述，為了適應新型功能材料與器件的應用發展，迫切需要建立一種評價小樣品在力電耦合條件下的動態疲勞性能的測試方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種評價小樣品在力電耦合條件下的動態疲勞性能的測試方法。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供了一種用于壓電陶瓷力電耦合條件下的動態疲勞性能測試方法，其使用的測試裝置包括上導向模，在上導向模上設有高精度載荷傳感器，上導向模設于下導向模上，在下導向模的下方設有下承載模，待測試的樣品置于下承載模上，在下導向模與下承載模之間設有上承載模，壓桿的一端穿過下導向模后連接上導向模，另一端位于樣品的上方，在樣品的下方設有高精度位移傳感器，高精度位移傳感器設于下承載模的內孔內，下導向模、壓桿及下承載模由良好導電的金屬材料制得，下導向模及下承載模分別連接高壓電源的正極及負極，上承載模由透明的絕緣的樹脂材料制得，其特征在于，步驟為：

步驟1、由高壓電源通過下導向模及下承載模向樣品施加電場；

步驟2、通過壓桿向樣品施加力場直至樣品斷裂，施加力場時，采用不同的加載速率，不同的加載速率對應不同的采樣頻率，以不同采樣頻率記錄通過高精度載荷傳感器及高精度位移傳感器在不同的加載速率下得到的位移和載荷，隨后得到不同的加載速率所對應的不同斷裂強度σ_f，根據斷裂強度σ_f的對數與加載速率的對數之間的線性關系，得到裂紋擴展指數；

步驟3、根據裂紋擴展指數，計算得到不同斷裂強度所對應的樣品壽命點，以壽命為X軸，斷裂強度為Y軸建立直角坐標系，在該坐標系中標出不同斷裂強度所對應的壽命，將所有點擬合成一條直線，即為強度-壽命曲線，通過該曲線就可以得到在一定力電耦合條件下所對應的使用壽命。

優選地，所述斷裂強度σ_f的計算步驟為：根據所述位移和載荷繪制位移-載荷曲線，在該曲線中找出樣品斷裂時加載的最大載荷P，則：

其中，a為所述下承載模的內孔直徑，b為所述壓桿的直徑，t為所述樣品的厚度，γ為所述樣品的泊松比。

優選地，在步驟2中，測量至少3個樣品，不同的加載速率所對應的不同斷裂強度σ_f為同一的加載速率下所有樣品的斷裂強度σ_f的均值，在步驟3中，剩余壽命為同一的加載速率下所有樣品的剩余壽命。

優選地，所述樣品為圓片或方片，其厚度為0.3-0.7mm，圓片直徑為10mm，方片邊長為10mm。

優選地，所述電場為交流電場，其幅值范圍為0～700V/mm。

優選地，所述力場的加載速率為0.0002～5mm/min，所述采樣頻率為1～500pt/s。

本發明采用直接在測試力學性能上直接加載電場，加載的電場可為交變電場和恒穩電場，通過在測試力學性能時把電場耦合進去，測試材料的力學性能變化，根據模型推導預測材料的疲勞壽命變化。本發明采用動態的力學性能試驗機結合小樣品的力學模型，由此提供了一種測試力電耦合場下壓電陶瓷動態疲勞壽命的新方法。

本發明的優點是：1、本發明的測試方法簡便可行，適用于在實際使用時受到力電場耦合作用且為小型片狀的材料，測試方法中能真實模擬材料的實際受力情況；2、本發明的力電耦合小樣品動態疲勞測試方法是適合于評價小樣品材料力電耦合下疲勞性能的有效、方便和可靠的測試方法。

附圖說明