文档介绍：压电材料切口端电弹场试验研究
压电陶瓷脆性大和断裂韧性低的特性导致了许多压电设备实际制作与应用中的困难,压电效应的存在使压电材料的断裂行为更加复杂。因此,机电耦合载荷作用下的压电陶瓷破坏非常值得关注,迫切要求人们对压电陶瓷机电耦合断裂机制有透彻的了解,特别是电场对断裂行为的影响。各种研究方法中,试验研究是最直观和可信的手段之一。截止目前,人们分别采用维氏压痕试验、CT试验、3PB试验等方式来分析机电耦合载荷作用下的断裂现象,并试图建立断裂准则[102]。这些试验方式均是通过测量最终裂纹扩展情况或断裂载荷,并采用经验公式来确定断裂准则。尽管这些方法很难对电弹场状况进行监测,但仍然得到了很多具有重要意义的结论:正电场促进裂纹扩展,负电场抑制裂纹扩展;各种断裂准则中,机械应变能释放率准则和局部能量释放率准则与试验现象定性相符程度最好,其余的断裂准则总会出现与试验现象相矛盾的现象等等。最近,云纹干涉法试验[230, 231, 254, 255] 被成功应用与裂纹尖端奇异性应变场的测量,该法可以更直观地观察裂纹尖端附近的位移和应变场状况,清楚监测裂纹扩展直至断裂的奇异性场变化过程,从而弥补了前面三种断裂试验的缺点,使试验更具针对性。
本章将利用云纹干涉法测量三点弯曲试件切口端的奇异性应变场,这里不局限于考虑裂纹,还将考虑切口角度张开一定角度的情况。通过云纹干涉图可直观地观察切口端在电场载荷或机电耦合载荷作用下的奇异性应变状况,根据波前干涉理论可以确定切口端任意一点的应变状态的数值解。为了便于比较验证,在计算切口端延长线上的正应变的时候,试验值、新型杂交元解和ANSYS仿真解将一并给出。
本章将利用新型杂交元模型计算Park和Sun试验[223] 中的三点弯曲试件模型,拟合“断裂载荷-外加电场”关系曲线,并与Park和Sun等人的结果对比,从而说明新型杂交元模型的可行性。最后,利用“断裂载荷-外加电场”得到临界能量释放率,并将其作为断裂判据。
云纹干涉试验
压电陶瓷材料与试件
试验所用的材料是从中国科学院声学所购买的压电陶瓷PZT5H,。如图8-1所示,试件均在长度方向的中点开V型切口,加工方法采用超声切割技术, 。试件切口角度为(=),深度为4mm;试件极化方向为y轴;在长度方向的两个端面镀银电极;,中间10mm9mm区域通过环氧胶转移1200l/mm光栅,光栅与试件之间的环氧胶保证了光栅与试件之间的绝缘,。
图8-1. PZT5H三点弯曲试件
机电加载装置和三维云纹干涉系统
试验在清华大学工程力学系实施,机电加载装置示意图如图8-2。对于机械载荷的施加,本试验采用位移控制加载方式,在试件与加力架之间通过传感器测量力载荷F。力传感器的测量范围为0-500N,。对于电载荷的施加,为防止空气中的高压电弧放电,三点弯的机械加载装置的加载头以及试件放在一个用绝缘材料聚氟乙烯和有机玻璃特制的油盒子中,油盒子中装满二甲基硅油以防止电弧放电并起到绝缘作用,同样三点弯的支撑装置也放在油盒子中。为了尽可能的减少由于透光玻璃平面度不够,导致原始云纹图上出现不规则的系统载波,同时保证良好的透光性能和得到质量高的云纹图像,油盒子的正面使用一块特制的厚度为12mm,() 的光学玻璃。
由于压电陶瓷的矫顽场比较大,而试验中施加的电载荷超过1倍矫顽场(12912V), 可达到19100V, 所以试验中采用高压直流电源设备,直流电源输出参数为:“+”极性0 ~ 60 KV, 2mA,幅值可调,“-”极性0 ~ 60KV, 2mA, 幅值可调。
电载荷的施加过程中必须注意全面的绝缘防护措施,传感器接地保证电弧放电时不会由于冲击电流导致传感器损伤,加载架和试验平台以及各种周边设备例如计算机、摄像头、三角架均需处于安全方面的考虑接地。同时在加载架的加载旋钮与油盒子之间放置一块接地的铁片阻断可能的高压电极与人体之间的电弧放电危险。
图8-2. 机电加载装置
从1984年起,戴福隆教授和D. Post等人对云纹干涉法进行了严格的理论推导和解释,建立了云纹干涉法的波前干涉理论。位移、和应变、、的计算公式为:
(8-1)
(8-2)
其中代表在方向上的条纹级数;是所用试件栅的频率,本次试验选用的频率为1200l/mm的光栅。
本试验所用的三维云纹干涉系统(如图8-3) 是普通的四光束云纹干涉系统与麦克尔逊干涉系统的结合。可以同时获得三维的位移场的云纹条纹图。
试验方案
试