[发明专利]用于压电陶瓷力电耦合条件下的循环疲劳寿命的测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的循环疲劳寿命的测试方法，能测试力电耦合加载下的循环疲劳寿命，适用于微电子领域力电耦合条件下小样品循环疲劳寿命的评价。

背景技术

压电材料具有优良的机电耦合效应和对外电场的响应能力，已被广泛用于制作大容量电容器、传感器等常规元器件以及微驱动器、微执行器等高科技电子产品。然而，用于压电压力传感器和微执行器中的压电陶瓷需在循环往复电场和力场下服役，在经过大量周期性疲劳加载后，它会发生力电耦合作用下疲劳损伤，导致器件功能退化和失效，典型特征表现为随着循环加载次数的增加，压电陶瓷的压电常数减小，力学性能下降。因此，从使用和安全设计方面考虑，建立一种可以准确评价压电陶瓷在力电耦合下循环疲劳寿命的方法具有重要的意义。

球压法是目前评价陶瓷材料循环疲劳性能的常用方法，该方法样品固定简单，但在测试过程中，特别是测试初期，应力强度十分集中，因此，该方法的评价结果常常会夸大疲劳的作用，并且球压法的应力状态也不是标准的应力状态。此外，采用球压法进行疲劳加载后仍需采用其它方法评价剩余强度，但很难保证剩余强度的测试点就是疲劳测试的加载点。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试压电材料力电耦合条件下的循环疲劳寿命的方法，它能够模拟实际工况下压电陶瓷的服役情况及测定其疲劳寿命，方法简单但是预测精确且具有先验性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种用于压电陶瓷力电耦合条件下的循环疲劳寿命的测试方法，其使用的测试装置包括上导向模，在上导向模上设有高精度载荷传感器，上导向模设于下导向模上，在下导向模的下方设有下承载模，待测试的样品置于下承载模上，在下导向模与下承载模之间设有上承载模，压杆的一端穿过下导向模后连接上导向模，另一端位于样品的上方，在样品的下方设有高精度位移传感器，高精度位移传感器设于下承载模的内孔内，下导向模、压杆及下承载模由良好导电的金属材料制得，下导向模及下承载模分别连接高压电源的正极及负极，上承载模由透明的绝缘的树脂材料制得，其特征在于，步骤为：

步骤1、由高压电源通过下导向模及下承载模向样品施加交流电场或直流电场；

步骤2、通过压杆向样品采用载荷控制的循环疲劳加载，加载的波形为正弦波，加载的频率范围为40-100Hz，采样率的范围为0.1-500pt/s；

步骤3、对样品加载一定循环周次后，循环疲劳加载结束，继续通过压杆以一定加载速率向样品加载力场直至样品断裂，在加载过程中以一定采样频率记录通过高精度载荷传感器及高精度位移传感器得到的位移和载荷，计算得到断裂强度σ_f，该断裂强度σ_f即为剩余强度；

步骤4、重复步骤2及步骤3，对另外至少2个样品进行测试，当步骤1中加载的为交流电场时，测试时选择不同的循环周次，得到每个循环周次所对应的剩余强度，绘制循环周次-剩余强度曲线，由剩余强度的变化趋势判据得到该循环力场/电场耦合作用下与样品所对应的材料的疲劳寿命；

当步骤1中加载的为直流电场时，测试时选择不同的直流电场强度，得到在不同直流电场强度下，一定循环周次所分别对应的剩余强度，绘制循环周次-剩余强度曲线，由剩余强度的变化趋势判据得到该循环力场/电场耦合作用下与样品所对应的材料的疲劳寿命。

优选地，所述断裂强度σ_f的计算步骤为：根据所述位移和载荷绘制位移-载荷曲线，在该曲线中找出样品断裂时加载的最大载荷P，则：

其中，a为所述下承载模的内孔直径，b为所述压杆的直径，t为所述样品的厚度，γ为所述样品的泊松比。

优选地，所述样品为脆性小样品材料，其为圆片或方片，样品的厚度为0.3-0.7mm，若样品为圆片，则直径为10mm，若样品为方片，则边长为10mm。

优选地，所述交流电场的幅值为600V/mm，所述直流电场的强度范围为-1000-1000V/mm。

优选地，在步骤3中，所述加载速率为0.02～0.05mm/min，所述采样频率为10pt/s。

采用小样品力学性能测试系统施加循环疲劳时，样品能够保持其位置的稳定，疲劳加载后可以直接进行强度测试，完全能保证疲劳加载和强度测试在样品的同一部分。另外，还可以很方便的评价压电陶瓷在力电耦合下的疲劳性能。