2.2Экспериментальное исследование свойств пьезоэлементов

На образцах пьезоэлементов (рисунок 2.6) различной геометрии измерялась зависимость вырабатываемого заряда в квазистатическом режиме при изменяемой величине усилия предварительного поджатия (рисунок. 2.9).

Рисунок 2.6- Образцы пьезоэлементов, использовавшихся в работе: 1 – ЦТС-19 h=10мм;2- ЦТС-19 h=5мм;3 – ЦТС-19 h=5 мм; 4 – ЦТС-19 h=10 мм; 5-7 ТБК-3 разной геометрии.

В процессе экспериментов усилие предварительного поджатия варьировалось таким образом, что в образцах создавались сжимающие механические напряжения от 0 до 20 МПа, причем через определенные интервалы усилия измерялась величина Qв квазистатическом режиме. Измеренные значения Q были обработаны – рассчитаны их средне выборочныезначения, пo которым были построены графики зависимостей Q(σ_n) (см. рисунок 2.7, 2.8).

Рисунок 2.7- График зависимости заряда от напряжения для пластины ЦТС-19 h=1мм, где: 1 – 1-й цикл нагружения;2-2-й цикл нагружения; 3 – 3-й цикл нагружения.

Рисунок 2.8- График зависимости заряда от нагружения для пластины ЦТС-19 h=5мм, где: 1 – 1-й цикл нагружения;2-2-й цикл нагружения; 3 – 3-й цикл нагружения; 4 – 10-й цикл нагружения.

Анализ этих графиков показал следующее. Для пьезокерамики состава ЦТС-19 на зависимостях Q(σ_n) имеются максимумы при напряжениях порядка 4-6 МПа. Обнаруженную особенность на зависимостях Q(σ_n) можно объяснить следующим образом. При малых напряжениях происходит нарастание заряда и увеличение продольного пьезоэффекта, затем пластина достигает максимума, происходит перестроение доменных структур и смена продольного пьезоэффекта на поперечный. Это объясняется малой толщиной пластины Поэтому на графиках зависимостей Q(σ_n) на участке 0-2МПа наблюдается интенсивный рост значенийQ. При напряжениях около 4 МПа процесс смены доменных структур в основном завершается и увеличение Qприостанавливается. При дальнейшем увеличении сжимающих напряжений величина Q начинает уменьшаться..

Такое поведение пьезокерамики можно объяснить тем, что при этих напряжениях уже начинается процесс потери устойчивости доменной структуры, полярные оси наиболее легкоподвижных доменов ориентируются к плоскости, перпендикулярной оси сжатия. Такая интерпретация снижения величины Q с ростом механических напряжений подтверждена в работе [10] для пьезокерамики ЦТС-23, где показано, что уже при небольших уровнях напряжении в структуре керамики возникают легкоподвижные 90-градусные клинья, способствующие релаксации локальных механических напряжений и наблюдается снижение величины Q. Легкоподвижность 90-градусных клиньев при воздействии небольших механических напряжении ранее была доказана также для монокристаллов в [11].

Таким образом, анализ графиков Q(σ_n) показал, что для исследованых составов пьезокерамики существуют минимальные значения сжимающего напряженияσ^min, ниже которых наблюдается сильная зависимостьQ от σ_n. Для ЦТС-19 σ^min≈2МПа, что является нижней границей при выборе методик определения Qв квазистатическом режиме для того состава пьезокерамики.

По приведенным выше зависимостям d₃₃(σ_n) можно легко выбрать определенные обоснованные значения механического усилия нагружения при измерении Qотличающиеся для разных составов пьезокерамики, что немаловажно для практики. Существует предельная толщина, после которой полученная смена пьезоэффекта не осуществляется. Это было замечено на примере пластины толщиной 5 мм.

Даннаяпьезопластина подвергалась осевому сжатию в пределах от 0 до 20 МПа. Результат выработки заряда показан на рисунок 2.9 (квадратами, ромбами и кружками). После достижения максимального сжатия производился отпуск образца.На рисунок 2.9 тренд, соответствующий отпуску образца всегда соответствует верхней части каждой зависимости. Нагружение производилось 10 циклов подряд. После каждого нагрузочного цикла оставшийся на пьезопластинезаряд фиксировался и сбрасывался на землю. Поведение кривых на рисунок 2.9 отражают верхний квадрант петли гистерезиса.

Затем производилось плавное снятие нагружения. В нашем случае нет отрицательной работы (так как не производилось растяжение), в связи с этим график находится полностью в области положительных значений. В первом цикле на пластине остался некоторый достаточно большой заряд. Во втором и последующих циклах нагружения этот заряд становился меньше, что говорит о постепенном снижении запаса заряда

Таким образом, в рамках работы:

- проведен обзор методов измерения пьезоэлектрических констант при различных режимах нагружения;

- создана лабораторная установка для измерения накапливаемого заряда на пьезоэлементе в условиях статических нагрузок;

- разработана методика расчета пьезомодулей.