高压放大器在力-电耦合作用下材料压电系数研究中的应用
实验名称：力-电耦合作用下铁电材料的性能研究
测试设备：高压放大器、信号发生器、A/D采集卡、应变仪、压电陶瓷等。
实验过程：
图1：力-电耦合试验测试装置
本试验涉及到的加载与测试单元组成如图1所示，高压电场E由D/A信号发生卡经高压放大器产生，能够提供最高10kV的电压，为防止高压击穿空气，试验在硅油中进行。试验过程中电场强度由高压放大器的monitor通道输出，电极化强度通过Sawyer-tower回路测量[121]，利用粘贴在试样表面的两组垂直布置的应变片，分别测量极化方向上与垂直方向上的应变。三组物理量通过采集卡读入计算机。
图2：载荷与电场的加载方向及试样处理
被测试样选用PZT-5压电陶瓷，尺寸为8×4×4（长×宽×高，单位mm）的立方体，两个相对的4×4表面为被银面；采用BX120-2AA型应变片测量材料变形，应变片带有20cm绝缘导线，能够在电场内确保应变片的绝缘。利用502快干胶将应变片粘贴在打磨平整的PZT陶瓷表面，为避免在高压电场中产生尖端放电现象，需要在其表面涂抹硅橡胶进行绝缘处理。由于硅橡胶溶解于硅油，还应该在最外层涂抹密封硅酮进行防油处理，试样的处理如图2所示。
如图2所示，沿x轴在PZT-5陶瓷两个表面施加载荷，两个应变片分别测量与载荷同向的电致伸缩应变λP33和垂直于载荷的应变λP31，电场沿z方向施加，试验过程中同时采集压缩载荷和两路应变信号。
实验结果：
图3：不同外载荷下的PZT-5电致伸缩曲线的初始线性段
试验结果如图3所示，两个方向上的λP-E均为线性，此时曲线斜率为材料在x、z两个方向上的压电系数，分别表示为dP33和dP31。由于极化过程被外载荷限制，两个方向上的压电系数均随外载荷的增加而下降，但对于垂直于极化方向上的压电系数dP31其下降的趋势更明显。在50MPa的压应力下，其压电系数下降了53%，而极化方向上的压电系数dP33仅下降12.8%。
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