4.4. Определение водопоглощения

Для керамических диэлектриков отсутствие водопоглощения – важнейшее, абсолютно необходимое условие, которое приводит к необходимости соответствующего контроля. Измерение этой характеристики не сложно, однако оно часто вызывает затруднение у неаккуратных работников. Необходимо, чтобы водопоглощение диэлектриков было, по крайней мере, меньше 0,1%. В этом их большое отличие от ферритов.

Водопоглощение – это отношение массы поглощенной образцом воды к его массе в абсолютно сухом состоянии, %,

,

где А – масса образца, насыщенного водой, В – масса абсолютно сухого образца.

Для определения водопоглощения керамики испытуемый образец помещают в химический стакан или соответствующую ему емкость и кипятят в течение часа. После кипячения образец вынимают, с поверхности осторожно стирают марлей воду и определяют массу. При этом образец следует помещать в бюкс, в противном случае влага, поглощенная образцом, будет быстро испаряться и его масса будет меняться в процессе взвешивания. Затем после полного высушивания в сушильном шкафу образец взвешивают еще раз. Высушивание обычно проводят в течение часа при температуре 105±0,5 ˚С, однако образцы диэлектриков для точного определения следует высушивать 12 часов и более.

4.5. Методы определения пьезоэлектрических характеристик

Пьезоэлектрический эффект является одним из электромеханических эффектов в твердых телах, заключающихся в преобразовании электрической энергии в механическую или механической энергии в электрическую. Кроме пьезоэлектрического эффекта, известны также флексоэлектрический эффект и электрострикция.

Прямой пьезоэффект заключается в том, что при воздействии механического напряжения  (или вызванной механическим напряжением упругой деформации х) в кристалле возникает электрическая поляризация Р. Поляризация проявляется в виде механически индуцированных электрических зарядов на поверхности деформированного пьезоэлектрика. Поверхностная плотность этих зарядов определяет модуль вектора поляризации Р, а направление этого вектора выбирается от “-” к “+”.

P_i = d_in_n;

P_i = e_imx_m;

E_j = - g_jn_n;

E_j = - h_jmx_m.

Здесь пьезокоэффициенты d, e, g и h имеют следующие размерности:

[d] = [Кл/Н]; [g] = [В/м/Н];

[e] = [ Кл/м²]; [h] = [ В/м].

Обратный пьезоэффект состоит в том, что под действием приложенного электрического поля Е кристалл деформируется (в нем возникает механическое напряжение ), причем знак деформации изменяется при изменении знака электрического воздействия, а величина деформации линейно изменяется с изменением поля.

x_m = d_mjЕ_j ;

_n = - e_njE_j ;

x_m = g_miP_i ;

_n = - h_niP_i.

Для измерения пьезоэлектрических коэффициентов обычно используют два метода – квазистатический и динамический методы.

4.5.1. Квазистатический метод

Пьезомодули d₃₃ и g₃₃ на практике часто измеряют в квазистатическом режиме (на частоте порядка 10-20 Гц) с помощью установки, схема которой изображена на рис. 4.2. Принцип действия установки заключается в следующем. Электродвигатель с помощью эксцентрикового механизма создает пульсирующую силу, которая через шток и пружину воздействует на исследуемый образец.

Рис. 4.2. Схема установки для измерения пьезомодулей квазистатическим методом: 1 - электродвигатель, 2 - эксцентрик, 3 - пружина, 4 - тензодатчик, 5 - нижний токосъемник, 6 - исследуемый образец, 7 - верхний токосъемник, 8 – тензостанция, 9 - вольтметр

Напряжение, возникающее на образце вследствие прямого пьезоэффекта, измеряется вольтметром с достаточно большим входным сопротивлением, таким, чтобы постоянная времени C_обрR_вх > T/2, где C_обр – емкость образца, R_вх – входное сопротивление вольтметра, T – период пульсирующей силы. В этом случае образец работает в режиме, близком к «холостому ходу».

Напряжение, возникающее на образце

,

где q – заряд, возникающий на образце, F – пульсирующая сила, K – коэффициент, зависящий от силы F и размеров образца. Таким образом, напряжение на образце пропорционально пьезомодулю g₃₃.

Для измерения пьезомодуля d₃₃ необходимо обеспечить режим работы, близкий к режиму «короткого замыкания». В этом случае при измерениях параллельно образцу включают емкостную нагрузку C_нагр  30000 пФ. Тогда напряжение на пьезоэлементе будет

,

Учитывая, что C_нагр>>C_обр, можно написать

,

т.е. напряжение на измеряемом образце пропорционально пьезомодулю d₃₃.

Пульсирующая сила, действующая на образец, измеряется с помощью тензодатчика и тензостанции. Тензодатчик предварительно градуируется с помощью эталонных грузов.