UFFC: 北大李法新课题组在压电材料常数测量方面取得突破性进展

压电材料的压电常数和弹性常数的测量一直是业内比较棘手的问题，因为压电材料为各向异性，而且每个振动模态均与弹性常数、压电常数及介电常数相关。根据国际电工委员会（IEC）的标准，对于常用的压电陶瓷，要测量出所有的压电常数和弹性常数，至少需要4个不同形状、不同尺寸的样品，对应四种振动模式，分别是薄长片纵向伸缩模式(d31)，厚度切变模式(d15)，柱状纵向伸缩模式(d33)，以及厚度伸缩模式(c33)。由于不同形状、不同极化方向的样品，其材料常数之间有一定差异，这样测量出来的材料常数一致性较差，甚至会自相矛盾。而且，由于测量的复杂性，多数压电陶瓷厂商并不能提供完整的材料常数，这给压电器件的设计带来了一些不确定性。

在上世纪90年代，出现了一种测量各向异性弹性常数的新方法，称为超声共振谱（RUS）方法。它一般是采用压电换能器与样品通过点接触来激励振动，用另一个压电换能器或激光来测量样品在宽频域的振动谱。RUS先是对材料的所有弹性常数取初值，计算出各阶模态的频率，然后与测量的振动谱相比较，通过优化迭代的方法确定出所有的弹性常数。由于换能器对样品有一定的夹持作用，RUS方法测量的频率会比样品自由振动的频率略高。而且，采用两个换能器一发一收的扫频测量方法，需要专门建立一套数据采集和处理系统，或者购置价格不菲的商用RUS测量系统，这对大多数从事材料制备的课题组或压电陶瓷制造商来说，存在一定的困难。

最近，北京大学工学院李法新课题组在压电材料常数测量方面取得了突破性进展，他们提出测量涂有部分电极的样品阻抗谱的方法，只用一个长方体样品和一台阻抗分析仪，就可以把压电材料所有的弹性常数和压电常数都准确地测量出来。该工作最近以“Determining full matrix constants of piezoelectric crystal from a single sample using partial electrode electromechanical impedance spectroscopy”为题目发表于领域权威期刊 IEEE UFFC 。论文第一作者是工学院2018级博士生谢明宇，李法新研究员为通讯作者。

李法新课题组谢明宇同学在前期发展的基于机电阻抗的材料模量内耗测量方法(Xie, Li. Rev Sci Instrum, 91, 015110, 2020, Editor’s Pick;  Xie, Li. J Appl Phys 128, 230902, 2020, Featured article)的基础上，利用压电材料自激励自接收的性质，在长方体压电陶瓷相邻的面上布置尺寸约为2mm*2mm的电极，如图1所示，利用这两块小电极、采用阻抗分析仪来测量样品在宽频内的导纳谱（图2），即可得到压电样品各阶振动模态所对应的频率和阻尼（内耗）。然后，假设初始材料参数，采用Lagrangian变分法计算压电样品各阶谐振频率，并与测量的共振频率对比，采用Levenberg-Marquardt优化算法进行迭代，即可求出所有的弹性常数和压电常数。该方法与传统方法测量的结果符合很好，而且，各阶振动模态对应的阻尼（内耗）也可通过导纳共振峰的半带宽求得。

图1 部分电极-机电阻抗谱方法(PE-EMIS)测量压电材料常数的原理

图2 实验测量的部分电极PZT-4样品从25kHz-200kHz的导纳谱

该工作的突破性意义在于，仅用一个长方体样品，采用通用的阻抗分析仪，即可测量出压电材料所有的材料常数，这给众多从事压电材料制备的课题组和制造商提供了一套可以说是零成本的测量方案（因为阻抗分析仪大家都有），对于压电器件的准确设计大有帮助。同时，该方法的提出也有望促进现有的压电材料测量标准（IEC和国标）的改进和修订。

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9856697

转自：“知社学术圈”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！