[发明专利]用于压电陶瓷力电耦合条件下的动态疲劳性能测试方法

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动态疲劳性能测试方法，能测试力电耦合加载下的动态疲劳，适用于微电子领域力电耦合条件下小样品动态疲劳性能的评价。

背景技术

疲劳是指材料长期在低于其断裂强度的承载应力作用下强度劣化的一种现象。目前，很难用直接的方法测试出材料的疲劳性能，现在一般都采用间接法测试材料的疲劳性能，这个疲劳也被称为材料的动态疲劳性能。传统的测试动态疲劳通常采用预制裂纹的单向拉伸和弯曲试验法研究陶瓷材料的动态疲劳，然而，随着功能陶瓷材料及其元器件的片式化和微型化发展趋势，陶瓷材料多是薄板或片状，如陶瓷涂层、基板等，无法得到标准尺寸的测试样品，此外，压电陶瓷在大多数的应用中，都是在力场和电场的耦合条件下服役，力电耦合作用是其结构破坏和压电失效的主要原因，单独通过测试力学动态疲劳很难准确地反映材料疲劳性能。目前，虽然有一些关于力电耦合条件下压电陶瓷疲劳性能的研究，但是由于实验设备和评价平台的限制，一般难以模拟压电陶瓷小样品在力电耦合条件下的疲劳性能。

综上所述，为了适应新型功能材料与器件的应用发展，迫切需要建立一种评价小样品在力电耦合条件下的动态疲劳性能的测试方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种评价小样品在力电耦合条件下的动态疲劳性能的测试方法。

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动态疲劳性能测试方法，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电场；

步骤2、通过压杆向样品施加力场直至样品断裂，施加力场时，采用不同的加载速率，不同的加载速率对应不同的采样频率，以不同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在不同的加载速率下得到的位移和载荷，随后得到不同的加载速率所对应的不同断裂强度σ_f，根据断裂强度σ_f的对数与加载速率的对数之间的线性关系，得到裂纹扩展指数；

步骤3、根据裂纹扩展指数，计算得到不同断裂强度所对应的样品寿命点，以寿命为X轴，断裂强度为Y轴建立直角坐标系，在该坐标系中标出不同断裂强度所对应的寿命，将所有点拟合成一条直线，即为强度-寿命曲线，通过该曲线就可以得到在一定力电耦合条件下所对应的使用寿命。

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，在步骤2中，测量至少3个样品，不同的加载速率所对应的不同断裂强度σ_f为同一的加载速率下所有样品的断裂强度σ_f的均值，在步骤3中，剩余寿命为同一的加载速率下所有样品的剩余寿命。

优选地，所述样品为圆片或方片，其厚度为0.3-0.7mm，圆片直径为10mm，方片边长为10mm。

优选地，所述电场为交流电场，其幅值范围为0～700V/mm。

优选地，所述力场的加载速率为0.0002～5mm/min，所述采样频率为1～500pt/s。

本发明采用直接在测试力学性能上直接加载电场，加载的电场可为交变电场和恒稳电场，通过在测试力学性能时把电场耦合进去，测试材料的力学性能变化，根据模型推导预测材料的疲劳寿命变化。本发明采用动态的力学性能试验机结合小样品的力学模型，由此提供了一种测试力电耦合场下压电陶瓷动态疲劳寿命的新方法。

本发明的优点是：1、本发明的测试方法简便可行，适用于在实际使用时受到力电场耦合作用且为小型片状的材料，测试方法中能真实模拟材料的实际受力情况；2、本发明的力电耦合小样品动态疲劳测试方法是适合于评价小样品材料力电耦合下疲劳性能的有效、方便和可靠的测试方法。

附图说明