彩娱乐合作加盟飞机号@yy12395 共享: 典型压电材料在液氮低温环境下的压电性能
发布日期：2024-10-29 18:53 点击次数：116
压电材料具有显耀的压电效应特质,当对其施加机械应力或压力时,其里面会产生电势差,能终了力学性能到电能的转移。反之,若在压电材料上施加电场,其会发盼愿械变形,能终了电能到力学性能的改动。这种独到的性能使得压电材料在航空航天、电子信息、声学等限度具有平淡的应用价值[1]。跟着当代科技的不停朝上,对材料性能的要求也在不停普及[2]。在航天测试限度,氢氧火箭发动机的燃料为液氢和液氧,导致发动机关联组件的名义温度显耀裁减。鉴于这种顶点的低温环境,当对发动机的振动和应力波等进行重要测试任务时,压电材料当作传感器中的重要敏锐元件,其谐振频率、介电常数、机电耦合统统及介质损耗等性能参数可能会出现显耀的变化[3]。在低温条款下,压电材料的性能弘扬关于确保测试死心的精准性和可靠性具有决定性意旨,因此对液氮低温环境下压电材料的性能相识性研究至关紧迫[4]。
国表里学者对压电材料接踵开展了不同温度下的关联性能测试,GERSON[5]在温度为4~100 K下测试了已极化压电材料的性能,发现该材料在较低温度下仍然具有较光显的压电活性。WANG等[6]对PZT-5H材料的温度依赖性进行了探究,发现跟着温度的裁减,材料的压电统统渐渐减小。黄滟荻[7]在室温条款下对PMN-PT材料的电学参数进行了研究,并接头了其在不同温度下的铁电性能,通过分析剩余极化强度、矫顽电场以及电滞回线面积与温度之间的关系,对PMN-PT材料的温度相识性进行了评估。尹鹤瞳[8]测试了PZT-5H材料在室温及低温条款下的静态电学参数,发现低温环境下PZT-5H材料的电阻率在谐振频率与反谐振频率之间呈现显耀的变化趋势,在换取的加载频率下,跟着温度的升高,PZT-5H材料的电阻率呈裁减趋势。
笔者对压电材料进行阻抗测试,并分析了不同温度下材料的谐振频率、机电耦合统统、介电常数、介质损耗因数等参数,探究了压电材料在室缓和液氮温度下的性能相反,研究死心可为压电材料的顶点温度应用提供模仿。
1. 考研程序及考研材料
广东男篮本场开局攻内线，吉伦沃特和莫兰德连取9分，孙铭徽手感火热，连中三记三分，面对徐杰的防守，出手非常果断。广东男篮迅速采用包夹战术，才断了孙铭徽的三分。已经适应了没有小外援的阵容，CYL588.VIP徐杰更加游刃有余，底角空位三分命中，吉伦沃特三罚三中，广东17-14反超比分。广东男篮多点开花，浙江广厦则是外援发威，小巴里布朗三分空心入网。
依据EN 50324–1∶2002《陶瓷材料和元件的压电性能 第1部分：术语和界说》及EN 50324–2∶2002《陶瓷材料和元件的压电特质 第2部分：测量程序——低功率》,压电材料的基本振动模式主要参考EN 50324–1∶2002,用于引发多样模式。
主要领受电测法测量压电材料的参数,包括动态法、静态法和准静态法等多种方式[9]。其中,动态法是通过施加交流信号激励试样,使其景象处于谐振隔壁。通过测量试样的特征频率,并进行野心,就不错取得材料的压电性能参数[10]。运用精密阻抗分析仪,测量了试样的电容CT和介质损耗因数tan δ。通过分析试样的频率-阻抗谱,可取得串联谐振电阻R、串联谐振频率fs以及并联谐振频率fp等参数,其他压电性能参数不错字据测试模范野心得出。在液氮温度下进行测试时,先把待测压电材料浸没到盛有液氮的杜瓦罐中15 min,从杜瓦罐取出待测压电材料后,在5 s内完成一组数据测试,超时要从头放入杜瓦罐中冷却3 min以上,然后再取出从头完成测试。
对钛酸钡（BaTiO3）、铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）单晶、锆钛酸铅（PZT255）、锆钛酸铅（PZT251）、钛酸锶钡（BST）5种压电材料鉴识在室温（298 K）和液氮温度（77 K）下的压电参数进行测量。压电材料主要包括压电单晶体、多晶体压电陶瓷、压电陶瓷复合材料和高分子压电材料及团聚物等。压电陶瓷具有相识的压电性能,在市集上占据紧迫地位,成为现在较受宽待的压电材料之一。软性压电陶瓷对反复的机械载荷稀奇敏锐。硬质材料在重迭的机械轮回中没发生退化,但在恒定载荷下对延永劫辰很敏锐。硬质PZT组合物在双轴迂回考研中的力学性能优于软性压电陶瓷。在不同温度下压电陶瓷的性能会有所变化,当其无法再骄贵预期的应用需求时,不错以为该压电陶瓷照旧失效。5种材料出厂压电性能参数如表1所示。
Table 1. 5种材料出厂压电性能参数
材料
尺寸（直径×长度）/（mm×mm）
谐振电阻/Ω
介质损耗/%
解放电容/pF
谐振频率/kHz
反谐振频率/kHz
BaTiO3
38.0×13.7
19.5
0.50
929
82.8
86.93
PMN-PT
6.0×3.5
-
0.30
380
170.0
230.00
PZT255
25×2
6.1
1.50
3 906
983.7
1 114.00
PZT251
48×10
-
1.40
3 500
39.0
-
BST
19.97×7.93
17.0
0.36
498
104.0
122.00
2. 考研死心
2.1 压电振子等效电路及谐振频率
运用压电材料的压电效应,不错将其制成具有特定取向和形式的压电器件,并配备电极。当电信号输入时,淌若器件的机械谐振频率与信号频率相匹配,逆压电效应将引发器件的机械谐振,而正压电效应则能促使器件的机械谐振产生电信号。这类器件被称为压电振子,频繁用于制造谐振换能器件、模范频率振子以及滤波器。压电振子的等效电路如图1所示,该等效电路由电容、电感和电阻的劝诱歧路与电容并联而成,在谐振频率隔壁不错以为这些参数与频率无关。当施加在压电振子上的电信号频率就是其固有振动频率fr,即电纳为0时,压电振子的弹性最大,并可发生谐振。此外,压电振子还具有串联谐振频率（即最大电导频率）fs、并联谐振频率（即最大阻抗频率）fp、反谐振频率（即电抗为0）fa、最小阻抗频率fm、最大阻抗频率fn等紧贴近界频率。
图 1 压电振子的等效电路
当系统的应变振幅输出值和振子的电流同期达到最大时,此时的频率被称为最小阻抗频率,也可称为最大导纳频率。若赓续普及外加电信号的频率,减小振子输出的电流,当阻抗达到最大值时,对应的频率则被称为最大阻抗频率,也可称为最小导纳频率fn,即当电阻R1为0时,fm=fr=fs=fn=fa=fp。在实质应用中,相通偏差一般小于1%[11],这些参数不错鉴识用频率对fr和fa来相通,即fm≈fr≈fs,fn≈fa≈fp。
使用精密阻抗分析仪在室缓和液氮温度下对BaTiO3、PMN-PT、PZT255、PZT251、BST进行压电性能参数测试,取得阻抗和频率的关系,阻抗最小时对应的频率点即为谐振频率,阻抗最大时对应的频率点即为反谐振频率,测试死心如表2所示。由表2可知：在室温条款下,BaTiO3、PMN-PT、PZT255、PZT251、BST试样的谐振频率鉴识为82.5,171.8,981.2,38.9,103.9 kHz,与表1中材料的出厂压电性能接近,评释测试过程正确。
Table 2. 室缓和液氮温度下5种材料的压电性能测试死心
材料
温度为298 K
温度为77 K
温度收复298 K
fr/kHz
fa/kHz
R1/Ω
fr/kHz
fa/kHz
R1/Ω
fr/kHz
fa/kHz
R1/Ω
BaTiO3
82.5
86.7
63.7
82.7
84.5
1 171.7
82.3
86.5
42.0
PMN-PT
171.8
237.3
87.3
203.9
258.6
1 368.6
170.0
235.2
90.6
PZT255
981.2
1 113.5
6.1
991.2
1 081.5
12.9
983.2
1 115.5
5.8
PZT251
38.9
46.4
55.4
44.6
50.4
130.8
39.1
46.6
51.8
BST
103.9
121.9
32.5
105.7
121.6
277.7
104.1
122.0
15.6
在室缓和液氮温度下,5种压电材料试样的阻抗与频率关系如图2所示。由图2可知：温度从室温298 K降到液氮温度77 K后,5种压电材料试样谐振频率皆存在不同进度的偏移,频率的相对偏移量从高到低次序为PMN-PT(18.9%)>PZT251(14.7%)>BST(1.7%)>PZT255(1.0%)>BaTiO3(0.2%),其中BaTiO3、PZT255、BST在两种温度下的谐振频率偏移较小,皆不越过2%,弘扬出较好的温度频率相识性,但BaTiO3的谐振电阻变化（1 108.0 Ω）远弘大于BST的谐振电阻变化（245.2 Ω）及PZT255的谐振电阻变化（6.8 Ω）,因此BST及PZT255弘扬出更好的低温性能相识性。
图 2 室缓和液氮温度下5种压电材料试样的阻抗与频率关系
2.2 机电耦合统统K
机电耦合统统是揣测压电材料性能的重要参数,反馈了压电材料在力学性能与电能之间改动的智力[12]。压电材料的K越大,意味着其力学性能与电能之间的相互耦合智力越强。平面机电耦合统统kp描述了机械响应与电场之间的耦合关系,进而产生平面振动。当平面机电耦合统统kp较小时,不错领受式（1）进行相通野心。
5种材料的平面机电耦合统统野心死心如表3所示。由表3可知：PMN-PT具有较大平面机电耦合统统；当温度从室温298 K降到液氮温度77 K后,BST的平面机电耦合统统变化最小,弘扬出优异的能量交换相识性。
Table 3. 5种材料的平面机电耦合统统野心死心
材料
平面机电耦合统统
平面机电耦合统统低温相对变化/%
平面机电耦合统统收复室温相对变化/%
温度298 K
温度77 K
温度收复298 K
BaTiO3
0.35
0.23
0.35
34.3
0
PMN-PT
0.90
0.77
0.91
14.4
1.1
PZT255
0.57
0.47
0.56
17.5
1.8
PZT251
0.67
0.56
0.67
16.4
0
BST
0.64
0.60
0.63
6.3
1.6
2.3 介电常数
介电常数反馈了电介质材料的介电性能和极化行动,可用材料两电极之间电介质的电容与真空景象下电容的比值示意,野心程序如式（2）所示。
式中：ε0为真空介电常数,其值为8.854×10−12 F/m；εr为相对介电常数；εT为介电常数；CT为试样的解放电容；t为试样的厚度；A为试样电极面积。关于压电陶瓷,测量CT时要求测量频率远低于最低谐振频率,频繁为1 kHz。5种材料的相对介电常数测试死心如表4所示。由表4可知：室温下5种材料的相对介电常数测试死心与出厂参数具有较好的一致性；液氮低温环境下,5种材料的相对介电常数减小幅度不同,电荷储存智力松开；BST的相对介电常数的低温相对变化最小,评释其在液氮低温环境下具有较优异的介电性能；这5种材料相对介电常数的收复室温相对变化皆未越过10%,评释5种材料的介电性能未出现弗成逆的毁伤。
Table 4. 5种材料的相对介电常数测试死心
材料
相对介电常数
相对介电常数低温相对变化/%
相对介电常数收复室温相对变化/%
温度298 K
温度77 K
温度收复298 K
BaTiO3
1 284
325
1 287
74.7
0.2
PMN-PT
5 131
2 260
4 645
55.9
9.5
PZT255
1 798
6 74
1 671
62.5
7.1
PZT251
2 239
734
2 091
67.2
6.6
BST
1 510
1 079
1 491
28.5
1.3
2.4 介质损耗因数tan δ
介质损耗因数为在顺服频率的正弦波电压下,电阻功率（介质功率损耗）与无功功率的比值[13]。介质损耗因数反馈了压电材料在交变电场作用下能量亏本的进度,介质损耗因数越小,标明压电材料的能量改动效果越高。5种材料的介质损耗因数测试死心如表5所示。由表5可知：室温下5种材料的介质损耗测试死心与出厂参数具有较好的一致性；液氮低温环境下,5种材料的介质损耗皆存在不同进度的增大,能量改动效果裁减,从对比收复室温后的介质损耗不错看出,这种改动存在弗成逆性,标明BaTiO3、BST不符合大温度区域轮换变化的使用工况；PZT251、PMN-PT、PZT255的低温介质损耗相对变化及收复室温介质损耗相对变化皆不越过20%,弘扬出较优异的介质损耗相识性。
Table 5. 5种材料的介质损耗因数测试死心
材料
介质损耗因数
介质损耗因数低温相对变化
介质损耗因数收复室温相对变化
温度298 K
温度77 K
温度室温298 K
BaTiO3
0.2
3.6
0.28
1 700.0
40.0
PMN-PT
0.6
1.5
0.53
150.0
11.7
PZT255
1.5
2.7
1.50
80.0
0.0
PZT251
1.6
1.9
1.80
18.8
12.5
BST
0.3
2.8
0.20
833.3
33.3
3. 论断
（1） 在液氮低温环境下,压电材料的谐振电阻及谐振频率皆存在不同进度的增大,BST的变化最小。
（2） 在液氮低温环境下,压电材料的介电常数、平面机电耦合统统均存在不同进度的减小,介质损耗均存在不同进度的增大,BST的变化最小,评释5种压电材料的能量变换智力皆发生了不同进度的松开。
（3） 液氮低温环境会对BaTiO3及BST的介质损耗变成弗成逆的影响。
著作开首——材料与测试网彩娱乐合作加盟飞机号@yy12395