冲击载荷下PZT压电陶瓷本构特性的实验研究

摘要

由于PZT压电陶瓷具有优良的力电耦合性能，它在航空航天、高技术和医药卫生等领域中得到了广泛的应用,如可以作为激励器或传感器等。许多现代的应用要求压电陶瓷器件具有较大的变形并且能够承受较大的载荷（甚至冲击、爆炸等动载荷），在这种情况下，压电材料往往会呈现出明显的非线性行为，并产生残余变形，从而引起压电器件（如传感器）特性的衰退和失效。因此压电陶瓷本构特性的研究对于现代压电器件的设计和应用极为重要，近年来它引起了人们的广泛关注。目前，国内外对于该材料的本构特性的研究仅限于准静态载荷，对动态本构特性的研究还刚起步，本文对PZT压电陶瓷的动态非线性力、电行为进行了探讨。 本文改进了分离式Hopkinson压杆（SHPB）的测试技术，建立了PZT材料冲击压缩性能测试的实验方法，并探讨了动态电位移的测量技术。实验中利用Hopkinson压杆和Instron液压伺服材料试验机对压电陶瓷沿轴向极化方向加载，在应变率为10-4-102s-1范围内，对软、硬两种PZT压电陶瓷在冲击压缩载荷下的力学响应进行了实验研究，得到了PZT在应变率为10-4-102s-1范围内的力学和压电响应曲线。实验结果表明：实验用PZT4和PZT5压电陶瓷在加、卸载过程中力-变形和力-电位移特性呈现非线形特性，并且软PZT5压电陶瓷较硬PZT4压电材料的残余应变大。 分析表明：压电材料的非线性特性与材料内部电畴的偏转有关，电畴的运动与加载率相关，软硬PZT的电畴临界偏转应力、矫顽应力和电位移都随加载率的增加而增大，显示出材料的“强化”效应；硬PZT具有比软PZT更大的电畴偏转应力、矫顽应力，显然硬PZT压电陶瓷器件可以适应较高的应力状态应用而不发生退极化现象。另一方面，压电陶瓷很脆，非常容易断裂失效，实验发现其破坏形式呈纤维状断裂并且软PZT的抗压强度低于硬PZT。 为了保证铁电体PZT陶瓷器件的可靠性，在设计和应用过程中控制应力水平极为重要。