实验名称：压电材料综合性能测试装置的设计与搭建

测试设备：

• 高压放大器

• 铁电分析仪

• 示波器

• 电容位移传感器等

实验过程：

本实验设计并搭建了压电材料综合性能测试装置，测试过程中，压电材料的电畴翻转需要高达40kV/mm的电场，而高压放大器最大可提供10000V的高压，满足了测试所需的电压要求。信号发生器通过设定不同频率、幅值和波形的交变信号，通过高压放大器为压电测试腔内的样品施加电场激励，同时示波器用于采集信号发生器输出的电压信号。通过铁电分析仪可以测量样品的电极化强度，而电容位移传感器则用于获取样品的位移数据，从而计算出材料的应变。最终，通过示波器采集的数据可以绘制出压电样品的电滞回线和蝶形曲线。

实验中使用了尺寸为5mm×5mm×0.3mm的PZT和BNT片状试件，采用自主搭建的测试装置进行性能测试，主要分为三个部分：

1. 压电测试腔准备：由于压电陶瓷材料易碎，因此需要小心地将试样放置在测试腔的上下夹具之间。同时，为了防止高压击穿试样，测试腔内加入了硅油以提供绝缘保护。

2. 电容位移传感器的调试：首先连接电容位移传感器的各部件，并将位移测头固定在支座上。接着，手动调整测头和测量板的粗略位置，并利用微动平台精确调节，使测头与测量板接触。此时，通过示波器监测电容位移传感器的电压输出，确保测量范围内的位移变化能够正确捕捉。

3. 控制系统设置：在控制系统中输入试样的参数（如厚度、面积等），并将电场设置为两个周期的三角波，每个三角波的频率为1Hz。开启铁电分析仪和高压放大器，并将高压放大器的电压监视输出连接至示波器，确保示波器处于滚动采集状态。系统准备好后，便开始进行测试。

通过以上步骤，我们获得了PZT和BNT材料的电滞回线和蝶形曲线。

实验结果：

1. P-E 曲线

如图2-13和2-14所示，PZT和BNT材料的电滞回线表现出明显的不同特性。PZT的外加电场强度最大为14kV/cm至20kV/cm，而BNT的最大电场为30kV/cm至42kV/cm。当PZT和BNT分别达到20kV/cm和42kV/cm时，材料达到了极化饱和状态。

2. 蝶形曲线

如图2-15所示，PZT的蝶形曲线在四次双周期的三角波电场激励下，最大电场分别为14kV/cm、16kV/cm、18kV/cm和20kV/cm。从图中可以看出，PZT具有较好的耐压性，其击穿电场达到20kV/mm，表明PZT试样的表面处理良好且内部缺陷较少。

如图2-16所示，BNT的蝶形曲线采用了双周期的三角波电场激励，最大电场分别为30kV/cm、32kV/cm、34kV/cm和40kV/cm。结果显示，BNT具有卓越的耐压性，其击穿电场高达42kV/cm，是PZT的两倍。

数据分析与讨论：

在蝶形曲线中，图形的波动主要源于压电测试腔中的加载柱和滑动轴承之间的摩擦阻尼，以及加载柱连接体本身的重力影响。在应变上升阶段，由于应变方向与重力方向相反，测试装置需要克服加载柱连接体的重力和摩擦阻尼才能将应变准确传递到位移传感器，这一过程中扰动较大，表现在蝶形曲线的应变上升阶段波动较为明显。而在应变下降阶段，由于应变方向与重力方向一致，只需克服摩擦阻尼的作用，因此曲线相对平滑。

结论：

通过本次实验，成功测试了PZT和BNT压电材料的电滞回线和蝶形曲线，并对其耐压性、极化饱和特性以及应变响应进行了分析。PZT和BNT材料均表现出了较好的性能，但BNT材料的耐压性明显优于PZT，具有更高的击穿电场。通过搭建的压电材料综合性能测试装置，我们能够有效地对压电材料的各项性能进行测量和分析，为今后的压电材料研发和应用提供了宝贵的数据支持。