1 1.武汉大学 土木建筑工程学院, 武汉 430072
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
铁电陶瓷的力学性能直接决定了其加工性能和铁电器件的可靠性。目前, 无论是实验还是理论报道的压电陶瓷材料的断裂韧性都与30年前的报道接近, 限制了压电器件在高可靠性要求的情况下的应用。本研究试图揭示可用于优化铁电陶瓷断裂性能的参数。利用单轴压缩方法、裂纹尖端张开位移(Crack-tip opening displacement, COD)技术和单边V型缺口梁(Single-side V-notch beam, SEVNB)技术分别测定三种典型PZT陶瓷的应力-应变曲线、本征断裂韧性和长裂纹断裂韧性。结果表明, 本征断裂韧性与材料的杨氏模量正相关, 说明提高铁电体的杨氏模量是提高其本征韧性的有效途径。长裂纹断裂韧性与本征韧性和非本征铁弹性畴变/相变增韧有关, 说明优化铁电陶瓷的铁弹翻转行为可以改善其非本征效应。软掺杂PZT相较于硬掺杂PZT具有较低的矫顽应力和较高的残余应变, 呈现较强的铁弹性翻转和较高的屏蔽韧性; 在不同PZT材料中观察到的断裂模式也被认为与材料不同的铁弹性翻转行为有关, 软PZT陶瓷呈现沿晶断裂, 铁弹性翻转较弱的硬PZT呈现穿晶断裂。综上所述, 优化铁电材料的杨氏模量和铁弹翻转行为有望提升其断裂韧性。
锆钛酸铅 裂纹尖端断裂韧性 铁弹性畴翻转 单边V型缺口梁 lead titanate zirconate crack-tip fracture toughness ferroelastic domain switching single-edge V-notch beam
华侨大学 机电及自动化学院, 福建 厦门 361021
针对压电陶瓷固有的迟滞现象对其定位控制精度的影响, 对迟滞进行了特征分析和实验验证。基于微观极化机理和机电耦合效应分析了迟滞的成因, 分别对不同驱动行程, 全行程不同位置和不同起始电压下的迟滞特性进行了对比实验。结果表明: 对10 V行程的驱动, 随着电压区间的递增, 平均位移输出先增大后减小, 平均迟滞误差从0.419 3 μm减小到0.158 9 μm; 对100 V行程的驱动, 随着起始电压的增大, 平均位移输出从42.882 5 μm减小到25.92 μm, 平均迟滞误差从3.999 3 μm减小到1.692 3 μm; 起始电压每增加15 V, 位移输出减小5.654 2 μm, 迟滞误差减小0.769 μm。实验结果反映了电畴翻转状况对驱动过程机电耦合效率的影响, 有效验证了电畴翻转理论。实验也表明: 针对电畴翻转不同阶段所表现的的迟滞特征对压电陶瓷驱动器的迟滞误差进行补偿, 可修正或减小迟滞误差带来的影响, 为提高系统定位控制精度提供科学的参考依据。
压电陶瓷驱动器 迟滞 电畴翻转 迟滞特性曲线 定位控制 piezoelectric ceramic actuator hysteresis domain switching hysteresis characteristic curve positioning and control
厦门大学材料学院, 材料科学与工程系, 福建省特种先进材料重点实验室, 厦门 361005
基于铁电陶瓷材料90°畴变导致Raman光谱变化的原理, 自行设计并搭建了铁电材料原位测试分析和数据采集系统, 通过与Raman光谱仪的联用, 利用特制的样品旋转装置, 从实验上证实在外加电场作用下铁电材料中的90°畴变使平均电畴的择优取向发生改变, 从而导致Raman光谱强度的变化, 利用铁电材料原位测试分析和数据采集系统, 实现了外电场作用下或电疲劳作用下同时进行铁电陶瓷材料畴变的原位Raman观测及原位电滞回线的测试。结果表明原位Raman光谱技术可应用于铁电材料的电致畴变和电疲劳研究。
Raman光谱技术 原位观测 铁电陶瓷 畴变 Raman spectroscopy in-situ observation ferroelectric ceramics domain switching
