材料物理性能测试实验之压电陶瓷的压电性能测量.docx
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材料物理性能测试实验之压电陶瓷的压电性能测量
实验一压电陶瓷的压电性能测量
一、实验目的
1.理解压电陶瓷元件的电性能参数
2.掌握压电应变常数d33的测试原理和测试技术
3.掌握谐振法测定压电振子的频率响应曲线及压电耦合系数的测试原理的方法
二.实验原理
压电陶瓷元件在极化后的初始阶段,压电性能要发生一些较明显的变化,随着极化后时间的增长,性能越来越稳定,变化量也越来越小,所以,试样应存放一定时间后再进展电性能的测试。
一般最好存放10天。
按压电方程,其压电材料的d33常数定义为:
此处,D3及E3分别为电位移和电场强度;T3及S3分别为应力和应变。
对于仪器的详细情况,上式可简化为:
,这时,A为试样的受力面积;C为与试样并联的比试样大很多〔如大100倍〕的大电容,以满足测量d33常数时的恒定电场边界条件。
在仪器测量头内,一个约0.25N,频率为110Hz的低频交变力,通过上下探头加到比较样品与被测试样上,由正压电效应产生的两个电信号经过放大、检波、相除等必要的处理后,最后把代表试样的d33常数的大小及极性送三位半数字面板表上直接显示。
准静态法比通常的静态法准确。
静态法由于压电非线性及热释电效应,测量误差可达30%~50%。
三.仪器设备
ZJ-3准静态d33测量仪〔的测量头构造外观见以下图。
四、实验步骤
1.一般操作
〔1〕选档:
试样电容值小于0.01μF对应×1档,小于0.001μF对应×0.1档。
〔2〕用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好。
〔3〕把附件盒内的塑料片插于测量头的上下两探头之间,调节测量头顶端的手轮,使塑料片刚好压住为止。
〔4〕把仪器后面板上的“d33-力〞选择开关置于“d33〞一侧。
〔5〕使仪器后面板上的d33量程选择开关,按照被测样品的d33估计值,处于适当位置。
〔6〕在仪器通电预热10min后,调节仪器前面板上的调零旋钮,使面板表指示“0〞与“-0〞之间。
〔7〕去掉塑料圆片,插入待测试样于上下两探头之间调节手轮,使探头与样品刚好夹持住,静应力应尽量小,使面板表指示值不跳动即可。
静压力不宜过大,如力过大,会引起压电非线性,甚至损坏测量头。
但也不能过小,以致试样松动,指示值不稳定。
指示值稳定后,即可读出d33的数值和极性。
当测量大量同样厚度的试样时,那么可轻轻压下测量头的胶木板,取出已测试样,插入一个待测样品后,松开胶木板即可,不必再调节测量头上方的调节手轮,这样既方便,还可使静压力保持一致。
〔8〕为减小测量误差,零点如有变化或换挡时,需重新调零。
(9)根据公式
计算该试样的压电电压常数g33值
ZJ-3主要技术参数如下:
ZJ-3d33测量范围:
×1挡:
10到2000pC/N,20至4000pC/N;
×0.1挡:
1到200pC/N,2至400pC/N。
误差:
×1挡:
±2%±1个数字,当d33在100到4000pC/N;
±5%±1个数字,当d33在10到200pC/N;
×0.1挡:
±2%±1个数字,(当d33在10到200pC/N)
±5%±1个数字,当d33在10到20pC/N。
分辨率:
×1挡:
1pC/N;×0.1挡:
0.1pC/N。
尺寸:
施力装置:
Φ110×140mm;仪器本体:
240×200×80mm。
重量:
施力装置:
约4公斤;
仪器本体:
2公斤。
电源:
220伏,50赫,20瓦。
频带宽度
DC~7MHz
Y偏转系数
10mV/div~5V/div, 分9档
X偏转系数
0.2μS/div~0.1S/div, 分18档
X扩展
×2
触发源
内、外、电视场
同步方式
自动、触发
有效显示面
6div×10div(1div=0.6cm)
使用电源
AC220V/50Hz
外形尺寸
240B×100H×300Dmm
重量
3kg
五、本卷须知
1.操作前必须仔细阅读使用说明书。
2.进展正式测量之前,仪器需预热10min,并且调零。
六、实验记录
将实验结果填入下表中
试样编号
试样描绘
d33值
g33值
七、实验报告要求
1.实验目的,测试原理。
2.试样的记录〔形式、材料、性能、用途等〕
3.试样结果,讨论,分析影响性能参数的因素。
八、考虑题
1.动态法和静态法测量d33值有什么不同?
2.如何防止测量头生锈?
实验二压电陶瓷的介电性能测量
〔一〕介电常数的测试
一、实验目的
1.掌握无机材料介电常数测试原理及其测试方法,分析影响介电常数的因数。
2.学会使用YY2814自动LCR测试仪或同惠TH2817精细数字电桥测试仪的各种功能和操作方法。
二、概述
介质材料在电场中都具有极化现象。
介电常数的值等于以该材料为介质所做的电容器的电容量与以真空为介质所做的同样形状的电容器的电容量之比值〔常称作相对介电常数,以εr表示〕,材料的介电常数决定于材料构造和极化机理。
与温度、频率、电压和湿度有关。
介电常数计算可按照下式进展:
〔适用于圆片试样〕
式中Cx——试样的电容量,pF;
h——试样厚度,mm;
D——电极直径,mm
三、实验原理
该测量仪的测量原理是基于电压电流法,及复数欧姆定律:
式中,
是跨在被测件两端的电压;
是流过被测件两端的电流。
当
与
可测出或其比值可测出时,
即可得出。
为测量
,引入一个标准电阻
,并利用反相比例放大器的特点,可作出如以下图所示的测试原理图。
在该测试仪中,首先通过相对统一的参考相位测得各矢量电压分量。
在电路中,相敏检波器是用来将矢量电压进展分解,以便得到各分量,然后借助于A/D变换技术,将各分量转成数字量〔a、b、c及d〕。
存储在RAM中,最后由微处理器计算出各根本参量,送显示器显示出来。
四、实验步骤
〔1〕详细阅读YY2814自动LCR测试仪说明书
〔2〕接通电源
〔3〕选定测试频率,接通电源后,仪器自动进入1kHz测试频率,使用者可在任何时刻选择三个频率中的任意一个:
100Hz,1kHz,10kHz。
〔4〕按要求选择适当的夹具,将被测件接入测试夹具中。
〔5〕选择测量对象键(R,L/Q,C/D)和测量方式〔单次/连续测量、分选功能〕。
〔6〕测电容/损耗〔C/D测量〕
测电容器,使其引线嵌入夹具的弹簧片中,由主显示器读出电容值,连同LED所指示的单位〔pF,nF等〕,从副显示器读出D值。
取下电容器换上另一个。
要求分别测5~10只。
五、实验记录
试件编号
试件描绘〔尺寸等〕
测得电容〔1kHz〕/pF
介电常数
六、实验报告要求
1.试验设备原理图。
2.试样描绘〔形式、材料、性能、用途〕。
3.计算介电常数,分析计算结果〔包括影响因素〕。
4.做出不同条件下的εr曲线。
七、考虑题
1.影响介电常数的因素有哪些?
2.测试过程中应注意哪些事项?
〔二〕介电损耗的测试
一、实验目的
1.掌握无机材料介电损耗测试原理及其测试方法。
2.学会使用YY2814自动LCR测试仪或同惠TH2817精细数字电桥测试仪的各种功能和操作方法。
二、实验原理
介质损耗是用于交流电路中介质材料的根本物性之一。
引起介质损耗的原因是由于介质种类的不同而不同。
根本由漏导损耗和极化损耗引起。
介质损耗可以用消耗的功率P来表示,也可用损耗角或其正切tanδ来表示。
P=V2ωCtanδ
当外加电场的电压V、频率ω、样品电容一定时,介质损耗可用tanδ表示。
试验样品与条件参照国家规定的标准。
样品应竭力减小电极的电阻,但凡氧化了得电极外表,都可能造成测量误差。
三、实验步骤
〔1〕详细阅读YY2814自动LCR测试仪说明书
〔2〕接通电源,电源开关置于“ON〞处。
〔3〕选定测试所需按键,处于初始状态或C/D档,并选择测试频率〔接通电源后,仪器自动进入1kHz测试频率〕。
〔4〕按要求选择适当的夹具,将被测件接入测试夹具中,戴手套,以防影响测试结果。
〔5〕选择测量对象键(R,L/Q,C/D)和测量方式〔单次/连续测量、分选功能〕。
〔6〕一分钟后从副显示器读出D值〔tanδ〕。
四、实验记录
试件名称
实测电容/pF
实测损耗D
100Hz
1kHz
10kHz
100Hz
1kHz
10kHz
五、实验报告要求
1.阐述测试原理
2.试样描绘〔形式、材料、性能、用途〕。
3.实验结果及讨论,分析影响因素。
六、考虑题
1.影响介电损耗的因素有哪些?
2.测试过程中应注意哪些事项?
实验三压电陶瓷的力学性能测量
显微硬度是陶瓷的重要性质,特别是构造陶瓷通常具有高硬度,可用于要求高耐磨性场合。
显微硬度不仅表征陶瓷的使用性能,而且可以反映出坯釉的成分和构造信息,从而为选择和研究陶瓷提供根据。
一、实验目的
1.理解测定釉面和坯体显微硬度的意义。
2.理解影响釉面和坯体显微硬度的因素。
3.掌握釉面和瓷胎显微硬度的测定原理和测定方法。
二、实验原理
硬度在应用技术上的意思是一种材料受另一种变硬的物体压入所呈现的阻力大小,及材料的外表层抵抗尺寸物体所传递的压缩力而不不变形的才能。
通常除用莫氏硬度测定陶瓷釉面硬度外,常用显微硬度计测定陶瓷硬度。
显微硬度试验是一种微观的静态试验方法。
维氏硬度是常见的显微硬度。
维氏硬度的压头是一个相对夹角α=136o的金刚石四棱锥,其原理如以下图所示。
压力在试验力的作用下,在试样外表压出一个四方锥形的压痕,经规定的时间〔常为10~15s〕后,卸除试验力,测量出压痕对角线平均长度,用以计算压痕外表积。
维氏硬度实验原理
显微硬度计算公式为:
式中P——施于金刚石角体上的荷重,g
d——压痕对角线的长度,μm。
HV-1000型显微硬度计是采用精细机械技术和光电技术的新型显微维氏硬度测试仪器。
采用微机控制,通过软键能调节光源的强弱,并能预置试验力保持时间,以LED显示。
该机采用独特的压痕测量转换和测微目镜一次测量读数机构。
使用方便,测量精度高。
适用于测定微小,薄型,外表掺镀层等试件的显微硬度和测定玻璃、陶瓷、玛瑙、宝石等脆性材料的显微硬度。
三、实验仪器及用品
HV-1000型显微硬度计〔如以下图〕;试样抛光设备。
四、实验步骤
1.翻开电源开关和指示灯,光源灯亮。
2.转动物镜、压头转换手柄,使40倍物镜处于主体前方位置〔光学系统总放大倍数为400倍,处于测量状态〕。
3.将标准试块或试样安放在试样台,转动旋轮使试台上升。
眼睛接近测微目镜观察。
当试样或试块离物镜下端2~3mm时,在目镜的视场中心出现亮堂光斑,说明聚焦面即将到来,此时应缓慢微量上升,直至在目镜中观察到试样或试块外表的明晰成像。
这个聚焦过程完成。
4.假设在目镜中观察到的成像呈模糊状或一半明晰一半模糊,那么说明光源中心偏离系统光路中心,需调节灯泡的中心位置。
假设视场太暗或太亮,可通过操作面板上的软键调节光源的强弱。
5.假设想观察试块或试样上较大的视场范围,可将物镜压头转换手柄逆时针转至主体前方,此时,光学系统总放大倍数为100倍,处于观察状态。
注意:
当转换10倍和40倍物镜时聚焦面有微量变化,可微调升降丝杆,聚焦时建议在40倍物镜下观察。
6.将转换手柄逆时针转动,使压头主轴处于主体前方,此时压头顶尖与聚焦好的平面之间的间隙为0.4~0.5mm。
当测量不规那么的试样的试样时,要小心,防止压头碰及试样,损坏压头。
7.转动试验力变换手轮,使试验力符合选择要求。
转动试验力变换手轮时,应小心缓慢地进展,防止过快产生冲击。
8.根据实验要求在操作面板上键入试验力延时饱和时间〔每键入一次为5s,“+〞为加,“-〞为减。
〕
9.按下操作面板上的“启动〞键,此时加试验力,LED指示灯亮。
10.试验力施加完毕,延时LED亮,数码管显示计数时间到,试验力开始卸除,卸除试验力LED亮。
在LED未灭前,不准转动物镜压头转换手柄,否那么会造成仪器损坏。
11.当卸荷试验力指示灯LED灭,显示屏上出现设定的时间时,才可以将转换手柄顺时针转动,使40倍目镜处于主体前方,这时就可以在测微目镜中测量对角线长度,根据测得长度计算力学性能。
五、实验结果与分析
显微硬度测试记录表
试样名称
测定日期
试样处理
实验条件
编号
对角线长度
测微目镜
实际长度
六、考虑题
1.测定硬度的方法有几种?
它们有什么局限性?
2.测定硬度有什么意义?
3.影响硬度的因素是什么?
进步硬度的措施是什么?
4.为什么不同的操作者测定同一个试样的硬度所得到的结果不同?
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- 材料 物理性能 测试 实验 压电 陶瓷 性能 测量