1. Warum benötigt man einen elektrogenen Spannungsschleifentest für funktionelle Keramik?

Traditionelle Strukturkeramik (z. B. Aluminiumoxid, Siliziumnitrixid) wird hauptsächlich zum Tragen oder zur Isolierung verwendet und hat in der Regel keinen signifikanten elektrisch-kraftkoppelnden Effekt. Funktionskeramik - insbesondere Eisen-/Piezokeramik (wie Zirconium-Bleititat PZT, Barium-Titanat BaTiO3 usw.) - kann jedoch unter der Wirkung eines externen elektrischen Feldes reversible kleine Veränderungen (d. h. Spannungen) erzeugen, die die Grundlage für ihre weit verbreitete Anwendung in modernen intelligenten Geräten bilden, einschließlich: Ultraschallwandler, Antriebe, Sensoren und Aktoren.

Um die deformationsfähigkeit, die linearität der reaktion, das verzögerungsverhalten und die wiederholbarkeit dieser materialien bei elektrischen felderregelungen wissenschaftlich zu beurteilen, ist ein systematischer test der elektrischen feld-spannungsreaktion erforderlich, dessen ausgang eine elektrostroin-hystereseschleife ist. Diese Schleife spiegelt nicht nur die Antriebseigenschaften des Materials wider, sondern enthält auch umfangreiche Informationen über mikroskopische Mechanismen.

Definition und physikalische Bedeutung der elektrischen Spannungsschleife

1. Was ist eine elektrische Spannungsschleife?

Die elektrische Spannungsschleife bezieht sich auf die geschlossene Kurve, die durch die Spannung (S) plus die periodische Veränderung des elektrischen Feldes (E) gebildet wird. Typische Merkmale sind:

Spannungsspitzen in positiven und negativen Feldbereichen;

Gesamtdarstellung einer symmetrischen oder asymmetrischen Doppelspitzenstruktur;

Das Phänomen des "Kneifens" (Pinching) der Schleife ist besonders in der Entspannungs-Eisenelektrik offensichtlicher.

Diese Schleife zeigt intuitiv den gesamten Prozess der elektromechanischen Reaktion eines Materials unter Wechselfeldern und ist eine entscheidende Grundlage für die Bewertung seiner Anwendbarkeit als Antriebs- oder Sensormaterial.

2. Analyse physikalischer Mechanismen

Die elektrische Spannung entsteht hauptsächlich aus zwei Arten von physikalischen Effekten:

Konverse Piezoelektrischer Effekt (Converse Piezoelectric Effect)

Es befindet sich in polarisierter ferroelektrischer Keramik. Das elektrische Feld verursacht eine Gitterverzerrung, die eine ungefähre lineare Spannung erzeugt, die richtungsabhängig ist. Spannungssymbole im positiven und negativen elektrischen Feld sind umgekehrt.

Elektrostreichung (Electrostriction):

Allgemein in allen dielektrischen Materialien vorhanden, besonders in den Entspannungseisen Elektroden. Die Spannung ist proportional zum Quadrat des elektrischen Feldes, keine polare Abhängigkeit, positive und negative elektrische Felder erzeugen homogenee Spannungen.

Daher:

Unpolarisierte oder relaxierende Keramik (z. B. PMN-PT): hauptsächlich elektrisch dehnbar und hochsymmetrisch;

Vollständig polarisierte piezoelektrische Keramik (z. B. PZT): Der umgekehrte piezoelektrische Effekt überlagert die elektrische Dehnung und die Schleife ist oft asymmetrisch.

III. Prüfmethoden

1. Prüfsystem Zusammensetzung

Ein komplettes elektrodynamisches Spannungsschleifenprüfsystem umfasst folgende Module:

Hochspannungssignalquelle: Wechselfelder mit Spannungen von bis zu Tausenden von Volt (häufig verwendete Sinuswellen oder Dreieckswellen);

Verschiebungs-/Spannungssensoren:

Laser-Vibrationsmessgerät - kontaktlos, nanoskala-Auflösung;

Elektrische Feldmonitoreinheit: Messung der Spannung durch eine Hochspannungssonde und Berechnung der elektrischen Feldstärke (E = V / d) in Verbindung mit der Probendicke (d);

Synchronisiertes Datenerfassungssystem: Erfassung von elektrischen Feldern und Spannungssignalen in Echtzeit und Erzeugung von S-E-Schleifen.

2. Anforderungen an die Probenvorbereitung

Geometrie: in der Regel Scheiben, um die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes zu gewährleisten und das Risiko von Bruch zu verringern;

Elektrodenvorbereitung: Beide Seiten müssen leitfähige Elektroden vorbereiten, die häufig verwendeten Methoden umfassen Silbermassa-Sintering, Magnetron-Spritzgold oder Platin;

Polarisierungsbehandlung: Um den inversen elektrischen Effekt zu untersuchen, muss die Probe bei hoher Temperatur ein hohes Gleichstromfeld zur Polarisierung auftragen und die Alterung für mehr als 24 Stunden zur Stabilisierung der Leistung stehen lassen.

4. Schlüsselparameter der elektrischen Spannungsschleife

Spannung: Die Formvariablen, die das Material unter einem gegebenen elektrischen Feld erreichen kann, bestimmen direkt die Antriebsverschiebungsfähigkeit;

Restspannung: die Restspannung nach der Nullstellung des elektrischen Feldes, die den Grad der irreversiblen Verformung oder des Wandnagels widerspiegelt;

Loop-Symmetrie: Symmetrie → vor allem durch elektrische Dehnung; asymmetrisch → enthält einen signifikanten inversen elektrischen Beitrag;

Niveau der Halsverschrumpfung (Pinching): Je deutlicher die Halsverschrumpfung ist, deutet darauf hin, dass die Polarisierung behindert wird, die häufig in Entspannungseisenelektriken oder mehrphasigen Koexistenzsystemen vorkommt;

Loop-Fläche: Charakterisieren Sie den Verlust und die Verzögerungsgröße, je größer die Fläche ist, desto geringer die Kontrollgenauigkeit.

V. Anwendung und Bedeutung

Elektroelektrische Spannungsschleifenprüfungen in Forschung und Technik:

Materialentwicklung und -screening: Schneller Vergleich der Antriebseigenschaften verschiedener Komponenten;

Modellierung und Konstruktion von Geräten: Bereitstellung von Eingangs- (elektrisches Feld) -Ausgangs- (Spannungs) -Beziehungsmodellen für Antriebe, Mikro-Shift-Plattformen usw.

Mikromechanismenforschung: Analyse der Eisenkategorie-Inversionsdynamik, Phasenwechselverhalten usw. durch die Loop-Evolution;

Zuverlässigkeitsbewertung: Beobachten Sie die Verschlechterung der Schleife nach einer Million elektrischer Feldzyklen und prognostizieren Sie die Lebensdauer des Geräts.

Der elektroelektrische Spannungsschleifentest als zentrales Mittel zur Charakterisierung der elektromechanischen Kopplungseigenschaften von ferroelektrischen / piezoelektrischen Keramiken enthüllt nicht nur die makroskopische Reaktion des Materials unter äußeren Wirkungen, sondern verbindet auch die Mikrostruktur mit der makroskopischen Funktion.

Das ferroelektrische Testsystem des WATEST-Instruments verfügt über einen Hochspannungsantrieb, eine Verschiebungsdetektion auf Nanoskala und eine mehrparametrische synchrone Analysefähigkeit, die die gesamte Zyklusmessung der elektrogenen Spannungsschleife durchführen kann und eine solide Unterstützung für die funktionale Keramik vom Labor zur Industrialisierung bietet.