材料拉伸试验和压电常数试验

　　一、材料拉伸试验

　　1. 试验目的

　　测定材料的力学性能，包括弹性模量(E)、屈服强度(σ_y)、抗拉强度(σ_u)、断裂伸长率(ε)等。

　　评估材料在单轴拉伸载荷下的变形和断裂行为。

　　2. 试验设备与标准

　　设备：万能材料试验机(如Instron、MTS)、引伸计、夹具(如楔形夹具、气动夹具)。

　　标准：ASTM E8(金属材料)、ISO 527(塑料材料)等。

　　3. 试验步骤

　　试样制备：

　　根据标准加工试样(如哑铃型试样)，尺寸需符合规范(如标距长度、宽度)。

　　表面需光滑，避免应力集中。

　　安装试样：

　　将试样固定在试验机上下夹具中，确保对中。

　　安装引伸计以精确测量应变。

　　加载测试：

　　以恒定速率(如1 mm/min)施加拉伸载荷，直至试样断裂。

　　同步记录载荷-位移曲线或应力-应变曲线。

　　数据采集：

　　通过传感器和软件实时记录载荷、位移、应变数据。

　　4. 关键参数计算

　　5. 注意事项

　　试样对中：偏心加载会导致数据偏差。

　　应变速率控制：速率过快可能导致脆性断裂。

　　环境条件：温度、湿度可能影响高分子材料的测试结果。

　　二、压电常数试验

　　1. 试验目的

　　测定材料的压电常数(如d₃₃、d₃₁)，表征材料在机械应力下产生电荷的能力(正压电效应)或电场下产生变形的能力(逆压电效应)。

　　常见于压电陶瓷(如PZT)、聚合物(如PVDF)的功能性测试。

　　2. 试验原理

　　正压电效应：机械应力→电极化(电荷输出)。

　　逆压电效应：外加电场→机械应变。

　　压电常数d₃₃：单位应力下产生的电荷密度(或单位电场下产生的应变)。

　　3. 试验设备与方法

　　设备：

　　压电测试仪(如德国PiezoTest PM300)、阻抗分析仪、高精度电荷放大器。

　　动态或静态加载装置(如力锤、液压加载系统)。

　　方法：

　　静态法：施加恒定压力，测量产生的电荷量。

　　动态法：施加交变力(如正弦波)，通过阻抗分析仪测量共振频率和电容。

　　4. 试验步骤

　　试样制备：

　　将压电材料加工成薄片(如直径10 mm、厚度1 mm)，表面镀电极(如银电极)。

　　极化处理：在高温下施加强电场(如2 kV/mm)使电畴定向排列。

　　安装试样：

　　将试样固定在测试夹具中，确保力均匀施加于极化方向(通常为厚度方向)。

　　加载与测量：

　　静态法：缓慢施加压力，用静电计或电荷放大器记录电荷量。

　　动态法：施加交变力，通过阻抗分析仪测量压电响应。

　　数据处理：

　　根据公式计算压电常数，绘制电荷-力曲线或电压-应变曲线。

　　5. 注意事项

　　极化方向：必须明确试样的极化方向(如d₃₃对应厚度方向)。

　　温度影响：压电常数对温度敏感，需在恒温条件下测试。

　　信号噪声：使用屏蔽电缆和接地装置减少电磁干扰。

　　三、两种试验的关联性

　　功能材料研究：

　　例如，压电材料在拉伸载荷下的压电性能变化(如柔性压电传感器)。

　　多物理场耦合分析：

　　结合拉伸试验(力学场)和压电测试(电场)，可研究材料的力-电耦合行为。

　　四、典型应用场景

　　材料开发：优化合金或复合材料的力学性能，设计高灵敏压电传感器。

　　质量控制：验证工业产品(如航空部件、电子元件)的力学和电学性能。

　　学术研究：分析新型材料(如石墨烯复合材料、铁电薄膜)的多功能性。

　　五、扩展技术

　　原位测试：在拉伸过程中同步测量压电响应(需定制设备)。

　　纳米压痕技术：结合压电测试，研究微纳尺度下的力-电特性。

来源：网络