压电陶瓷综合实验
信息功能陶瓷材料综合实验
高春华黄新友
江苏大学材料科学与工程学院
序言
“信息功能陶瓷材料综合实验”是为大学生“陶瓷工艺学”、“无机材料物理性能”、“电子元器件概论”和“无机材料研究方法”等课程及实验编写的。
本实验是由十个综合实验所组成的系列实验，包括材料工艺实验：配料与混合、可塑法成型工艺、主晶相的固相法合成、硅碳棒电炉的使用、陶瓷的金属化与封接、压电陶瓷的极化等；材料性能评价实验：差热分析、陶瓷介电性能的测定、陶瓷压电性能的测定、PTC热敏陶瓷阻温特性测定等，以及进行信息功能陶瓷材料研究所需的基本技术实验。通过此系列实验，能使学生全面掌握信息功能陶瓷材料的研究和生产的整套生产工艺过程。
一实验目的
信息功能陶瓷材料综合实验，起着验证和巩固基本理论的作用，并可培养学生掌握有关材料的基本研究方法，是加强理论联系实际的重要环节之一。而且，也能够训练实验操作技能，培养分析、综合与处理实验数据的能力，能对提高学生的综合素质、动手能力、创新能力越到重要的促进作用。
二实验要求
实验前应该作好充分准备，弄清实验原理、实验目的、要求以及实验条件和可能产生偏差的因素等。
实验过程中应该操作准确、观察细心、正确地记录有关实验数据，并将实验过程中的异常现象及时记录下来。
实验数据的可靠性是分析与阐明实验结果，并作出必要结论的关键所在，所以在整个实验过程中，都应注意将实验误差限制在尽可能小的范围内，因此，对每一实验的操作、读数、记录都应认真对待，一丝不苟。
三注意事项
1．自觉遵守实验室规则。
2．实验前应根据实验讲义进得充分准备，实验前经老师提问合格后，方可开始实验。
3．实验过程中，严肃认真，保持实验室安静。严格按操作规程进行，注意安全，爱护仪器。
4．实验时，每个学生都应了解、掌握整个实验过程。
5．实验完毕，必须将实验记录交教师检查，合格者方可结束实验，不合格者重新进行实验。
6．每人必须认真填写一份实验报告，实验报告除包括必要的实验目的及原理以外，还应包括原始数据、计算方法、必要的数据表格与图形，主要的实验过程等。另外，还应对实验结果作必要的讨论，分析引起偏差的原因。书写应清楚整洁。7．实验时应保持实验台整洁，实验结束后应整理仪器，作好室内清洁卫生。
实验目录
实验一配料与混合
实验二主晶相的固相法合成
实验三差热分析
实验四可塑法成型工艺
实验五硅碳棒电炉的使用
实验六陶瓷的金属化与封接
实验七压电陶瓷的极化
实验八陶瓷介电性能的测定
实验九陶瓷压电性能的测定
实验十PTC热敏陶瓷阻温特性测定
实验一配料与混合
一实验目的
1 熟练掌握配料配方的实验原理及实验方案的制定方法、配料操作规程和配料计算方法
2 了解影响配料配方的复杂因素，针对生产工艺上出现的问题提出配料配方的修改措施。
3 学会使用电子天平准确称量，掌握行星球磨机混合工艺，熟悉信息功能材料配料与混合的操作技能。
二实验原理
单独一种原料，很难直接用来制造陶瓷，更难以满足产品的特定要求。通常都是采用多种原料互相配合，才能制造出符合特定要求的陶瓷产品。制定配料配方，尚缺乏完善方法，主要原因是原料成分多变，工艺制度不稳，影响因素太多，以致对预期效果的预测没有把握。
根据理论计算或凭经验摸索，经过多次试验，在既定的各种条件下，均能找到成功配方，但条件一变则配方的性能也随之而变。
在拟定原料配方时，应遵循几条原则：A 配料的组成应满足产品的性能和使用要求；B 拟定配方时应考虑生产工艺及设备要求；C 考虑经济上的合理性；D 借鉴成熟配方；E 弄清各原料在陶瓷材料中的作用。
在陶瓷工艺中，配料对制品的性能和以后各道工序的影响很大，必须认真进行，否则将会带来不可估量的影响。
对信息功能陶瓷材料通常采用细粉来进行配料混合，不需要进行磨细。就均匀混合要求来说，必须引起高度重视。
ND球磨机的工作原理是在一转盘上装有4
ND球磨机能用干、湿两种方法粉碎和混合粒度不同、硬度各异的各种材料，最小粒度可磨至0.5微米。
1配料计算
在陶瓷生产中，常用的配料计算方法有两种：一种是按化学计量式（ABO3形式，如
TiO3, 其特点是A位置上和B位置上各元素右下角系数的和等于1）进行计算：
物质的质量(g)=该物质的摩尔数3该物质的摩尔质量
为了配制任意质量的料方，先要计算出各种原料在配料中的质量百分比。设各种原料的质量分别为m i(i=1,2,…n)；各原料的摩尔数分别为x i；各原料的摩尔质量分别为M i，则各原料的质量(g)为：m i=x i M i
知道了各种原料的质量，应可求出各原料质量百分比。设质量百分比为A i，则
A i=m i/∑m i3100%。
应当指出：上面的计算是按纯度为100%设想的。但一般原料都不可能有这样高的纯度，
为P时，则：m’=m/p
别外，在配料称量前，如果原料不是很干，则需要进行烘干，或者扣除水分。
在配方计算时，原料有氧化物（如MgO），也有碳酸盐（如MgCO3）以及其它化合物。其计算标准一般根据所用原料化学分子式计算最为简便。只要把主成分按摩尔数计算配入配
料中去即可。对于用铅类氧化物配料，如果用PbO配料，则PbO为1摩尔，如果用Pb3O4时，PbO就是3摩尔。
另一种是根据坯料预期的化学组成进行计算。
三仪器设备
FA/JA型电子天平
ND2-2L超级球磨机
四实验步骤
配料：
1 根据产品性能要求，确定所选用的原料。
2 根据上述计算方法进行配料计算。
3 利用电子天平准确称取所需原料，注意大小料的称量次序
混合：
（一）操作准备：
1 球磨罐：
通常四个球磨罐重量（罐+配球+试样+辅料）应基本一致，以保持运转平稳，减小振动引起的噪声，延长设备使用寿命。若样品不足，对称使用（只装两个罐）也可。
2试样：
试样直径通常为1毫米以下，固体颗粒一般不超过3毫米，土壤允许至10毫米。
3装料最大容积（试样+配料+辅料）为球磨罐容积的三分之二，余下的三分之一作为运动空间。
4 基本规则
为了获取最佳效果，转速、球磨时间、配球（大小球合理搭配）及试样大小、多少和添加辅料等参数要选择恰当。混合常用转速为180转/分左右，球磨常用转速为230转/分左右。为了获取最佳效果，通常大小球应搭配用（大小球配比常为1：5或者1：6），大球用来配重与砸碎样品以及分散小球，小球用来混合及研磨样品。
湿球磨比干球磨可获得更细的实验试样。
（二）操作步骤
1将已装好球、料的球磨罐正确安放在球磨机上，然后用V形反手针压紧，平把手锁紧，再罩上安全罩（不罩安全罩，电机无法启动）。
2220V±10%，50HZ）和控制器。
3在控制器上设定运行方式后,启动电机。
ND2-2L型超级行星式球磨机专用变频器使用说明
功能码表
注：（1）在拖动系统传动比设定为3.75的情况下，显示的是大盘的实际转速（每1HZ对应大盘的转速为8转/分钟）。
（2）变频器内默认值：上限频率设定：40Hz
加速时间设定：10s
减速时间设定：10s
V/F补偿曲线：4
（3）运行共有4种状态：
（4）功能码用“方式”键与“▲”“ ”键选择。
（5）每次功能码与功能选定后，均须按“设置”键才能确认。
（6）转速（或频率）用面板上的电位器调整（转速最小勿低于40转/分钟）。
4待转盘停稳后，卸去安全系数罩，先拧松平把手，再拧松V形把手，卸下把手，便可拿出球磨罐。
五注意事项
1 称量前必须仔细阅读FA/JA型电子天平使用说明书。
2配料称量时要准确，要始终一致。
2 球磨机只适用于220V交流电网，不得使用其它电源。
3 球磨机在“启动”前，选择最佳运行方式，以提高研磨效率并延长设备使用寿命。
六实验报告要求
1 实验目的、实验原理；；
2 配料的计算过程；
3实验操作步骤；
4本人的体会及对实验改进的意见。
七思考题
1配料中应注意哪些问题？
2球磨时应如何考虑加料次序？
实验二主晶相的固相法合成
一合成的目的和作用
1
晶致密均匀，形成主晶相。因为合成后的瓷料，总是陶瓷材料的一个主晶相。当瓷料中某一种成分占的比例较少时，如果不事先合成而直接用“生料”成型进行烧结，这种本来在瓷料中比例就较少的原料，在整个瓷料中占的比例就会显得更少，混合均匀也就更加困难。这样烧结出来的陶瓷，不仅主晶相分布均匀，而且在组成比例上也不合适，陶瓷的最终性能就不能稳定。
2 排除原料中的二氧化碳和水分，减小瓷料的烧成收缩，以便于控制制品的外形尺寸。在合成过程中，随着温度的升高，某些原料发生分解，放出二氧化碳和氧气，以及生成新的化合物。这时都伴随有很大的体积变化，因而很容易引起制品变形、开裂。如果事先合成，就可以充分排除二氧化化碳和水分，让多晶转变更充分完全，而得到致密均匀的制品，收缩率和尺寸也易控制。
二合成原理
主晶相的固相法合成是信息功能陶瓷材料制造过程中最重要的工序之一。对于锆钛酸铅压电陶瓷元件，经球磨、混合后已压实的坯件，通过合成这道工序，在一定条件下，可制出较为稳定的锆钛酸铅固溶体以及微量的极度不稳定的游离氧化铅、氧化锆、二氧化钛。确定合成条件的原则有两条：一是务必使配方各组分的固相反应完全，游离氧化化物能达到最少极度限；二是要防止配方各组分的还原以及氧化化铅的大量挥发。
1低温阶段（室温至200℃）
低温阶段实际上就是烘烤阶段。这一阶段主要是排除坯件中的水分及微量有机物，并无化学变化。坯件中的水分及有机物被排除后，取而代之的是空气，所以气孔率增加，相应地透气性随之增大，坯件体积密度减小，且体积呈现微量收缩。这一系列的变化都是物理变化，没有任何新化合物的生成。
为使坯件中的残余水分和有机挥发物得到彻底干燥和充分排除，必须通风良好，炉门不能紧闭，容器不能密封。若坯件中含沙射影水分过多，且升温速度太快，坯伯很可能崩裂成碎块。
2分解、化合反应阶段（200℃至850℃）
（1）采用不同种类铅的化合物时，合成固相反应的最高温度不相同。
当采用碱式碳酸铅2PbCO32Pb(OH)2或碳酸铅PbCO3时，600℃以前是分解反应阶段，生成PbO：
PbCO3→PbO+CO2↑,
2PbCO32Pb(OH)→PbO+CO2↑+H2O
620℃开始有形成钛酸铅PbTiO3的反应，到770℃或775℃时产生共融液相，使反应加剧，到850℃时PZT固溶体反应基本完成：
PbO+TiO2→PbTiO3 ,
PbTiO3+ZrO2+PbO→Pb(Zr,Ti)O3
当采用红丹Pb3O4时，在627℃左右脱氧，开始有形成PbTiO3的反应，到650℃时反应显，液相在780℃出现，促使PZT反应加剧，到850℃时反应基本完成：
Pb3O4→PbO+O2↑
PbO+TiO2→PbTiO3
PbTiO3+ZrO2+PbO→Pb(ZrTi)O3
当采用活性较差的氧化铅PbO时，开始形成P bTiO3的反应温度为670℃，液相在810℃出现，反应到860℃时结束：
PbO+TiO2→PbTiO3
PbTiO3+ZrO2+PbO→Pb(ZrTi)O3
（2）不同组分的反应历程不一样。就钛酸铅PbTiO3而言，P4O3在627℃脱氧后，生成有强烈反应能力的活性PbO，立即与T iO2反应，生成PbTiO3，到700℃时反应基本完成：Pb3O4→PbO+O2↑
PbO+TiO2→PbTiO3
Pb3O4+TiO2→PbTiO3+O2↑
Pb3O4在627℃脱氧后新生成有强烈反应能力的活性PbO，但是，它并不像PbTiO3那样，立即与ZrO2作用，大量生成PbZrO3，而只是当PbO、ZrO2与已合成的少量PbZrO3在790℃附近生成三元共融点液相（即PbO 、ZrO2和PbTiO3）时，才发生PbZrO3的合成反应，到900℃时反应完成：
Pb3O4→PbO+O2↑
PbO+ZrO2→PbZrO3
PbO+ZrO2+ PbZrO3→PbZrO3
Pb3O4在627℃脱氧后新生成有强烈反应能力的活性PbO，它先与TiO2反应，形成P bTiO3；在840℃液相出现，紧接着形成Pb(ZrTi)O3固溶液体，到850℃时反应基本完成：Pb3O4→PbO+O2↑
PbO+TiO2→PbTiO3
PbO+ZrO2→PbZrO3
PbTiO3+ZrO2+ PbO→Pb(ZrTi)O3
3保温阶段（850℃至900℃）
配方不同，保温阶段的温度也有差异，一般在850℃~900℃之间。这一阶段，主要是继续完成上阶段尚未完成的化学反应。固态物质的化合反应，不像液相物质的化合反应那么容易，必须有一定的反应时间。因此，必须经过一定时间的保温，使反应更加充分和完全。
三合成的工艺条件
当采用活性四氧化三铅P b3O4为原料，主晶相的固相合成工艺条件如下：
1装炉
将坯件装在坩埚内，但坯件不能与坩埚直接接触，坯件之间，需要留一定间隙（用碎垫板隔开）。坩埚加盖，但不密封，也留一定缝隙，以便于气体和水分的逸出。每炉一次合成一批料粉较合适。
2升温速度和保温时间
500℃以下时，升温不能太快，以防坯件炸裂崩散，而不利于合成反应。一般每10分钟升温40℃（即240℃/小时）较合适。由500℃时开始，Pb3O4分解脱氧，升温速度更应缓慢，以保证充分的合成反应时间，一般每10分钟升温20℃（即120℃/小时）为宜。在700℃下保温1小时，以利生成PbTiO3；700℃~900℃时，每10分钟升温20℃，在900℃下保温2~3小时，使料粉反应完全而且更加充分，生成Pb(ZrTi)O3。保温时间的长短，可视坯件大小和数量来决定。
3降温速度
达到保温时间后，关闭电炉电源，随炉冷却；炉温下降到200℃以下，坯件即可出炉。4炉内气氛的选择
以中性或氧化性气氛为好；还原气氛将导致料粉还原发黑，必须严加控制。
5高温炉的选择
选择能达到900℃左右的高温箱式炉较合适。
四仪器设备
电阻炉；
WT-100型温度程序控制仪或TDW1温控仪
五瓷料要求
经过合成后的瓷料，应符合中下列要求：
1颜色正常，为淡黄色或浅黄色。
2坯件应有一定膨胀率（一般在8~20%范围内）。合成后的每个坯件应有一定程度的崩裂，裂纹纵横交叉。
3。凡合成正常的瓷料，其游离PbO含量不应超过总料量的1%
（重量），游离ZrO2和TiO2含量，均不应超过总料时的。
4坯件应结实，料粉不疏松。不允许坯件坚硬或接近成瓷，以免降低反应活性，造成烧结困难，也不允许料粉疏松而影响制品最终的电性能。
六实验报告
1实验的目的；主晶相合成的原理；
2用于合成主晶相的原料描述；
3合成的工艺条件；影响合成的因素分析；
4合成炉的使用操作；
5合成好的主晶相的情况记述。
七思考题
1 确定合成条件有哪二条原则？
2合成的主晶相容易出现哪些疵病，如何解决？
实验三差热分析
一背景知识
差热分析方法能较精确的测定和记录一些物质在加热过程中发生的失水、分解、相变、氧化还原、升华、熔融、晶格破坏和重建，以及物质间的相互作用等一系列的物理化学现象，并借以判定物质的组成及反应机理。因此，差热分析方法已广泛用于地质、冶金、陶瓷、水泥、玻璃、耐火材料、石油、建材、高分子等各个领域的科学研究和工业生产中。
差热分析方法与其它现代的测试方法配合，有利于材料研究工作的深化，目前已是材料科学研究中不可缺少的方法之一。
二差热分析的基本原理
现代的差热分析仪，采用集成电路等先进技术，基本特征是采用示差热电偶，以一端测温、另一端记录并测定试样与参比物之间的温度差，以达到了解试样在升温或降温过程中的热变化，以鉴定未知试样。
根据热电偶的原理，把直径相同、长度相等的金属丝A（例如铂丝）两段，与直径A 相同，长度适中的金属丝或合金丝B（例如铂-铑合金线）一段，焊接成如图所示的回路式Pt-PtRh差热电偶。将两焊点分别插入等量的试样和参比物的容器中，放置于电炉的均热带，热电偶的两端与信号放大系统和记录仪相连接，构成图中所示的差热分析示意图。
差热分析原理图
（a）1-试样支撑-测量系统；2-炉子；3-温度程序控制；4-记录仪；(b)差热曲线
在差热分析中，由于参比物是热中性体，在整个加热过程中只是随炉温而升高温度，衩测试样则将产生热变化，这时在热电偶的两个焊点间则形成温度差，产生温差电动势，其大小为：
E AB=k/e2(T1-T2)2ln(n eA/m eB) （1）
式中E AB—由A、B两种金属丝组成闭合回路中的温差电动势（eV）；
k—波尔兹曼常数；
e—电子电荷；
T1、T2—差热电偶两个焊点的温度（K）；
n Ea—金属A中的自由电子数；
m eB—金属B中的自由电子数。
差热分析的基本原理是由于试样在加热或冷却过程中产生的热变化而导致试样和参比物间产生的温度差，这个温度差由置于两者中的热电偶反映出来。根据公式（1），差热电偶的闭合回路中便有E AB产生，其大小主要决定于试样本身的热特性，通过信号放大系统和记录本仪记下的差热曲线，便能如实的反应出试样本身的特性。因此，对差热曲线的判读，有可能达到物相鉴定的目的。
差热曲线的纵轴表示温度差（ T）、横轴表示温度（T）或时间（t）。曲线向下是吸热反应，向上是放热反应。
三差热分析方法
最后编写实验报告等。
准备工作
参比物：应符合如下要求：
（1）整个测温范围内无热反应；
（2）比热和导热性能与试样相近；
（3）粒度与试样相近（通过100~300目筛的粉末）。
常用的参比物为α-Al2O3（经1720K煅烧过的高纯氧化铝粉，全部是α型氧化铝晶体）。
试样
（1）粉末试样的粒度均通过100~300目筛；
（2
（3）尽可能使试样与参比物有相近的装填密度。
升温速度
升温速率的选择主要依据试样和试样容器的热容及导热性能来确定。常用的升温速率为1~10℃/min。
走纸速度
为保证差热曲线的幅度合适，记录仪的走纸速度应与升温速度相配合，升温速度为10℃/min，走纸速度为30cm/h为宜。
试样座和参比物座的分辨
100mV档，如果输出仪表的指针或差热记录笔移向左侧，则接近热端为参比物座；如果移向右侧，接近热端为试样座。也可用棉花沾少量乙醇或乙醚，接触某侧热电偶的焊点，若差热记录笔向左移动，则接触侧为试样座。
差热电偶的选择
中、低温（1270K~770K）差热分析实验多采用镍铬-镍铝热电偶，高温（＞1270K时）以Pt-Pt90Rh10热电偶为宜。
四仪器设备
差热分析仪
五差热分析实验报告
实验报告记录如下事项：
（1）标明使用物质（试样、参比物、稀释剂）的名称、组成、实验式、试样质量和稀释方法；
（2）标明使用物质的来源、经历、纯度；
（3）记录升温速率；
（4）示出气氛的压力、组成、纯度；注明其状态（静止或流动）。外接气体要注明其压力、温度，使用的气体不是常压时，还应记录压力的调节方法；
（5）记录试样容器的大小、形状、材料及试样的装填表方法；
（6）差热曲线纵轴表示试样热反应的大小。相对于参比物的正温差（?T＞0）向上，负温差（?T＜0）向下。横轴表示某一时间或特定位置的温度，时间或温度从左向右表示增大。与上述记录不同的方法应加心说明；
（7）说明中间反应生成物和最终产物的鉴定方法；
（8）在可能的情况下应说明各种热效应产生的原因及根据；
（9）注明差热电偶的形状、材料，测定?T和T的温差电偶的位置；
（10）如实地再现全部的原始记录。
六思考题
1如何对差热分析的结果作出合理的解释即如何判读？
2分析差热曲线的影响因素。
实验四可塑法成型工艺
一基础知识和实验目的
可塑法成型是利用泥料具有可塑性的特点，经一定工艺处理泥料制成一定形状的制品。它适合于成型具有回转中心的圆形产品，在传统陶瓷生产中较为普遍采用。在信息功能陶瓷生产中，这种方法也是经常应用。根据可塑法成型的原理，又发展了挤压成型和轧膜成型等。可塑法成型适合生产管、棒和薄片状的制品。
粘土或坯料的可塑性是塑性法成型最基本的工艺性能之一。可塑性不但影响成型性能，而且影响生产效率和产品质量。在进行坏料配方时，可塑性是必须考虑的重要性能。
不同的成型方法对坯料的可塑性要求是不同的，原料种类、粉碎方法、粒径大小及颗粒分布、含水率等都在不同程度上影响可塑性，因此，如何测定可塑性和控制可塑性应成为信息功能陶瓷生产中一个很重要的问题。
1 陶瓷成型前粉料预处理
为使粉料更适合成型工艺的要求，在需要时，应对已粉碎、混合好的原料，进行某些处理。
1）塑化
传统陶瓷材料中常含有粘土，粘土本身就是很好的塑化剂。信息功能陶瓷配料中有些难以成型的原料，对那些难以成型的原料，为提高其可塑性，需加入一些辅助材料：粘结剂：常用的有：聚乙烯醇、甲基纤维素、石蜡、聚乙二醇等。
溶剂：能溶解粘结剂、增塑剂，并能和物料构成可塑物质的液体，如：水、乙醇、丙酮、苯、醋酸乙脂等。
选择塑化剂要根据成型方法、物料性质、制品性能要求、添加剂的价格以及烧结时是否容易排除等条件，来选择添加剂及其加入量。
2）造粒
粉末越细小，其烧结性能越良好；但粉末太细小由于其松装比重小、流动性差、装模容积大；会造成成型困难，烧结收缩严重，成品尺寸难以控制等麻烦。为增强粉末的流动性、增大粉末的堆积密度，特别是采用模压成型号时，有必要对粉末进行造粒处理。
2 粉料可塑法成型方法
主要有挤制成型和轧膜成型等。
1）挤制法成型的优点是：连续生产，效率高，污染小，易于自动化操作。其缺点是：挤嘴结构复杂，加工精度要求高，用料多，不宜作小批量生产。且只能用以挤
制横截面形状相同的产品。由于用于挤制法成型号中这泥料，含有较多的溶剂和胶
料，故这种坯体在干燥或烧结过程中的收缩，都比干压成型的坯件要大，其致密度
与抗电压强度也略有逊色。
2）轧膜成型方法
这也是一种非常成熟的薄瓷坯成型工艺，大量地用以轧制瓷片电容及独石电容、电路基片、压电陶瓷等瓷坯。
轧膜成型的特点，是练泥与成型同时进行。为使泥料高度均匀、粘合剂与粉粒之间
有充分完满的接触，必须保持足够的混练工作量。不宜过早将辊调近，急于获取薄片坯体。轧膜工艺通常用来轧制1mm以下的坯片，最常见的是0.15mm左右，技术熟练和粉料良好时，也可轧制0.05mm左右的超薄片。通常厚度越小，则要求粉粒越细越圆润，含粘合剂量越多，轧辊精度越高。
本实验要求了解几种可塑性的测定原理和测定方法，以及掌握可塑法成型工艺过程中的轧膜成型。
二实验原理
具有一定细度和分散度的粘土或配合料，加适量水或粘合剂调和均匀，加工练制成为含
但加入水量过多则会产生流动而去可塑性；当加入水量过少则连续水膜破裂，内摩擦力增加，质点难于滑动，甚至不能滑动而失去可塑性。干燥的物料是没有可塑性的，砂子加水调和也是没有可塑性，由此可见，液体和粘土矿物结构是粘土具有可塑性的必要条件，而适量的液
测定可塑性一般有直接法和间接法。前者是以塑性泥料在压力、张力、剪力、扭力作用
-应变的关系。后者是把饱水率、风干收缩率、粘度、吸湿水分与可塑性联系起来，例如饱水率，在正常工作稠度下高岭土内的含水量越高则可塑性越好；粘土圆锥体在达到破裂时的浸透时间越长则可塑性越好；粘土悬浮液从恩氏粘度计中流出的速度（厘米3/秒）越小则可塑性越好；风干收缩率越大则可塑性越好；吸湿水分（%）越大则可塑性越好。由此可见，粘土或坯料的可塑性是多种性质的综合表现。要想用一个测定值反这许多性质全部表达出来，到目前为止还没有找到更完善测定方法，只是在测定个别性能后，近似地对可塑性加以推断和定量，例如可塑性指数法和可塑性指标法只是从某一个方面说明可塑性，而实际上是有局限性的。
可塑性指数值为液限与塑限之差，液限就是使泥料具有可塑性时的最高含水量；塑限则是泥料具有可塑性时的最低含水量。可塑性指标是用一定大小的泥料在受压力到出现裂纹时所产生的变形大小与变形力的乘积，用以表示粘土或坯料的可塑性。圆柱体压缩法是用一种近似恒定的速率从轴线方向压缩圆柱形试样，同时能指示各压缩阶段的压缩应力，从而求出压缩应力与压缩应变的关系。张力、剪力比塑性测定法是使泥段通过挤压锥型口表示剪力和通过拉伸表示张力，再用张力和剪力的比值来表示可塑性的一种测定方法。
生产实践证明，粘土颗粒的分散度，非粘土矿物杂质的含量、粘土矿物的组成形式、可溶性杂质的存在等是影响天然粘土可塑性的主要因素。从影响粘土可塑性的因素可知增塑或减塑的措施是什么，从粘土的可塑性可判断同一矿区所产粘土的质量是否稳定。
三仪器设备
C33 85-150型双辊轧膜机
1主要技术数据：
轧辊尺寸：￠853150 (mm)
电动机功率：2.2 (KW), 1420 r/min
轧膜间隙：0-5 (mm)
减速机速比：60:1
轧辊转速：9 (r/min)
电源：3N 50HZ 380V
外型尺寸(Lbh)：1100360031200 (mm) 2双辊轧膜机原理图
3面板控制布线图
四操作步骤
1 了解设备结构
双辊轧膜机主要由电机、减速器、思膜机构及机架等组成。工作原理是电气控制电机正、反转，由电机通过三角带传到减速器，由减速器减速输出给予轧辊机构，通过齿轮带动双辊转动，达到轧膜目的，轧膜薄厚可由调节机构进行调节，范围在0-5mm之间，轧辊转速是9 r/min。
2 使用前的检查
使用前的应检查各部件是否有松动现象，按油尺要求给予减速器加注齿轮用机油，并给
双辊工作面，保持清洁。随后，同时调整两个调节手柄，逐步调整轧辊之间的间隙，加料运行，检查出料厚度，并缓慢调整间隙至要求。
3粗轧：将磨细过筛好的粉料，拌以有机粘合剂（如聚乙烯醇等）和溶剂（如水等），置于两辊轴之间进行混炼，使粉料、粘合剂和溶剂等成分充分混浊合均匀
4 精轧：逐步调近轧辊间距，多次折迭，90O转向，反复轧练，以达到必须的均匀度、致密度、光洁度和厚度为止。
由于轧辊的工作方式，使坯料只在厚度方向和前进方向受到碾压，在宽度方向缺乏足够的压力。因而对胶体分子和粉粒都具有一定的定向作用。使坯体的机械强度与致密度，都具有各向异性，使坯片容易从纵向撕裂、烧结时横向收缩较大。故在辊轧过程中必须不断将坯片作90°倒向，否则不能将各向异性减至最小。尽管如此多次倒转，其最后一次精轧留下的
定向作用仍是无法消除的，这是轧膜
5
艺。
6 停机后应将轧辊调至到最大间隙处，并清洗轧辊及机械各部位，不留残渣。
注意事项：空机运转时，绝不可将双辊无间隙和压紧运转，不可将其它硬杂质料混入辊中，以免损伤辊面！
五实验报告
1实验目的；提高可塑性的方法；轧膜成型的操作步骤；
2可塑法成型的几种方法的比较；
3测定粘土可塑性指标和可塑性指数的原理；
4成型操作步骤中相应要注意的问题，心得体会，
5提出对实验安排的改进意见。
六思考题
1影响轧膜成型质量的因素有哪些？
2瓷料如何进行增塑？
实验五硅碳棒电炉的使用
一实验目的
1掌握硅碳棒电炉的具体使用方法；
2了解确定烧成制度的依据和原则；
3学会如何确定最佳烧结制度。
二烧结机制
烧结的实质是粉坯在适当的气氛下被加热、通过一系列的物理、化学变化，使粉粒间的粘结发生质的变化，坯块强度和密度迅速增加，其他物理、化学性能也得到明显的改善。
烧结的目的一方面是为了在高温状态下使在合成过程中尚未完全起化学反应的少部分氧化物继续完成化学反应，力求全部生成锆钛酸铅等化合物；另一方面是为了在高温条件下使锆钛酸铅等化合物由松散颗粒状态溶固结合成一体，生成无数小晶粒，并通过结晶，使晶粒生长成为均匀、致密、具有某种显微组织结构和一定机械强度、物理性能，以及一定形状的锆钛酸系多晶陶瓷元件。通过烧结，制品的压电性能和物理电气性能就已基本确定。
烧结机制可归纳为：1粘性流动；2蒸发与凝聚；3体积扩散；4表面扩散；5晶界扩散；6塑性流动等。烧结是一个复杂的物理、化学变化过程；是多种机制作用的结果。
坯体在升温过程中相继会发生下列物理、化学变化：
1蒸气吸附水：（室温~100℃）除去坯体在干燥时未完全脱去的水分。
2粉料中结晶水排除：（300-700℃）
3分解反应：（300-950℃）坯料中碳酸盐等分解、排除二氧化化碳等气体。
4碳、有机物的氧化：（450-800℃）燃烧过程，排除大量气体。
5晶型转变：（550-1300）石英、氧化铝等的相转变。
6烧结前期：
经蒸发、分解、燃烧反应后，坯体变得更不致密，气孔可达百分之几十。在表面能减少的推动力作用下，物质通过不同的扩散途径向颗粒接触点（颈部）和气孔部位填充，使颈部不断长大，逐步减少气孔体积；细小颗粒间形成晶界，并不断长大，使坯体变得致密化。在这很长的过程中，连通的气孔不断缩小，晶粒逐渐长大，直至气孔不再连通，形成孤立的气孔，分布在晶粒相交位置，此时坯体密度可达理论密度的90%。
7烧结后期：
晶界上的物质继续向气孔扩散、填充，使孤立的气孔逐渐变小，一般气孔随晶界一起移动，直至排出，使烧结坯体致密化。如再继续在高温下烧结，只有晶粒长大过程了。如果在烧结后期，温度升得太快，坯体内封闭气孔来不及扩散、排出，只是随温度上升而膨胀，这样，会造成制品的的密度反而会下降。某些材料在烧结时会出现局部液相，加快了烧结的过程，可得到更致密的制品。
8降温阶段：
冷却时某些材料会发生相变，因而控制冷却制度，也可以控制制品的相组成：如要获得合适相组成的部分稳定的氧化锆固体电解质，冷却阶段的温度控制是很重要的。
坯体烧结后在宏观上的变化是：体积收缩、致密度提高、强度增加。因此可以用坯体的收缩率（线收缩率）、气孔率、体积密度与理论密度之比值、机械强度等指标来衡量坯体的烧结程度。
相同的坯体在不同的烧成制度下烧结，会得到生烧、正火、过烧等不同的结果；不同的升温速度也会得到不同的制品。可以从坯体在不同的烧结制度下得到的制品的密度变化来确定最佳烧结制度（可获得最大密度制品的烧结制度为最佳）。
坯体在烧结过程的不同阶段会放出大量气体，如果在这一阶段升温太快，会引起强烈反应；急速排出的大量气体会使坯体开裂、起泡，造成损坏；因此，当温度上升到这些温度段时，应缓慢升温，或长时间保温，减缓反应速度。同样某些晶型转变也伴随或多或少的体积变化，也要注意控制温度，减缓变化的速度。另外，烧结初期应该注意保温，使物质的扩散进行得更充分，可得到更致密的烧结体。
三确定烧结条件的依据
1相图：相图是确定烧结条件的主要基础；
2差热分析：差热分析的数据也是作为确定烧结条件的依据之一。但在较高温度下的真实情况需要依靠烧成收缩曲线来确定烧结条件；
3烧成收缩曲线：它是确定烧结条件下的最好依据。根据烧成收缩曲线可以在烧结前确定出成型坯件的放大数值、在烧结过程控中的升温速度及在这个温度下的合适保温时间。曲线还可示出烧成温度的范围。
4体积密度：它是衡量坯件致密度高低和结晶成瓷状况的重要手段。
四确定烧结条件的原则
烧结条件具体应遵循下列三条基本原则：
1烧成温度的确定：主要取决于配方的化学组成、坯件的形状尺寸和成型方法以及升温速度的快慢、保温时间的长短。
2升温速度和保温时间的确定：升温速度与烧成温度和保温时间也有密切关系。当升温速度快（大于300℃/小时）时，烧成温度就宜偏上限，保温时间也不宜增长；当升温速度较慢时，烧成温度就宜偏下限，保温时间可适当增长。
3降温速度和冷却方式的确定：主要取决于坯件的形状、尺寸和高温炉的构造。保温结束后，一般中小型坯件都可采用停电随电炉自然降温冷却的方式。但为了防止坯件在降温冷藏却过程中产生还原发黑，可在降温冷却过程中把炉门稍微敞开一点，加速自然冷却，使炉内具有一定的氧化气氛。
硅碳棒高温电炉
ZK-1可控硅电压调整器
六烧结步骤
根据所确定的最佳烧结条件进行烧结，操作步骤可分为升温、冷却三个阶段。为了严格执行烧结条件，控制烧结质量，必须作好下列几点：
1）每隔10分钟观察、调整、记录一次炉温，并在接近最佳节烧成温度和保温期间，反复校正、核对炉温，防止烧成温度过高或偏低。
2
偶插入炉内长度是否合适，高温炉的散热、保温状况等。
3）装埚之前，仔细检查坩埚、坩埚盖的密封状况。
硅碳棒电炉的升温操作
可分为三个步骤：①即手动升温预热；②参数和程序设置；③手、自动切换。若是未作修改
的重复使用，只需进行①、③二项操作。
在电炉升温时应事先检查：电气钥匙处于“竖直”（关闭）状态，电压调整器的电源开关在“关”状态，手动电位器的旋钮在“零”（向上旋于端部）状态，工作选择开关在“手动”状态。
（一）手动升温预热操作
1 将现场配电板的断路器推至“合”状态，此时电源向电炉及控制柜送电。
2 顺时针旋动电气钥匙90°，红色“停止”指示灯点亮，控制柜受电工作。
3 按动红色按钮，红色指示灯熄灭，绿色“工作”指示灯点亮，主回路受电工作。
4 向左拨动电压调整器的电源开关，电压调整器的工作指示灯点亮，向下旋动“手动”调节旋钮，缓慢调节使电流表示值上升至30-40A处。
这样，手动操作完成，电炉开始开始升温、烤炉和预热，预热温度可达300℃，预热时间约需2小时。
（二）参数、程序设置操作
高温电炉使用的温度控制仪具有人工智能调节，控制状态自适应。它的工作方式可分为五个状态，分别是：
①参数设置状态；
②程序设置状态；
③程序运行状态；
④程序暂停状态；
⑤停止准备状态。
参数、程序设置的操作必须在仪表进入①、②两个状态时才能进行，设置过程一般在电炉的烤炉、预热时进行。
仪表得电后自动进入⑤停止准备状态，此时PV 显示实际温度，、SV 交替显示STOP。
1.按住 待PV 显示HIAL时，仪表已进入①参数设置状态。用∧，∨配合?
（光标移动）就可以方便地写入各个控制参数。依次按动 就能把所有的参数分别设置写入。参数设置停止时，仪表将自动回到⑤停止准备状态，仪表已经设置写入的控制参数。
2.将 一按即放二次，再按?待仪表PV 显示C01时，仪表已进入③程序设置状态。此时，用∧，∨配合?可以方便地写入程序设置数值，依次按动 ，就能
把所需的程序编排数值全部设置写入。仪表升温程序的编排采用温度1→时间1→温度2→时间2……→温度30→时间30的格式，其定义为第一点温度，第一段时间，第二点温度，第二段时间……。例如要实现一个从200℃开始，1小时后线性升温至500℃，保温半小时后自动关炉的试验升温曲线，需写入的程序数值为：
C01=200 T01=60（从200℃开始，60分钟升至500℃）
C02=500 T02=30（在500℃处保温30分钟）
C03=500 T03=--121（-121是关炉停止的专用字符）
程序参数设置停止时，仪表将自动回到⑤停止准备状态。
（三）手动-自动切换操作
当仪表处于⑤停至准备状态时，并且PV 中显示预热温度接近第一点温度时，就可以进行
手动-自动切换操作，即烤炉、预热结束，程序曲线开始执行。
操作过程：
1按下RUN/HOLD键，RUN指示灯点亮，OUT指示灯点亮，MA 表上有输出。
2 将电压调整器上的工作选择开关拨向右面“自动”方向，此时调整器开始执行程序工作信号，?、A 显示新的工作状态。
程序升温开始后，PV 显示实际温度，SV 显示理论温度，在刚切换时输出和PV 有
时会有一些波动，经过人工智能环节调整后，就将趋于稳定和平缓。然后根据给定的升温曲线，进行温度拟合。自动地执行整个升温曲线，直至给定升温曲线的结束。
若进入RUN一段时间后控制效果不够理想，则可启动“自适应”功能运行。操作为：按动
?键，使SV 出现“AT”显示即可。此时，仪表执行2-3次冲击式试探调整后，根据
产生的输出振荡和温度振荡自动整定出一组新的控制参数进行更为完善的控制。
四注意事项
1务必正确使用电炉，以延长使用寿命。
2严禁炉温超过额定的最高温度。短时间最高可达1350℃，长时间只能达到1300℃。
3硅碳棒应尽量妨止与氧气、水蒸汽、碱、碱土金属、石棉、硼化物等直接接触。
4炉温在300℃以上，不应打开炉门，更不允许冷空气对流，否则，将严重损坏炉膛。
五实验报告
1实验目的；
2坯件在烧结过程中可能发生的物理、化学反应的类型各相应的温度段，设置的烧结制度（每段的升温速度和保温时间）；
3硅碳棒炉的操作要点；
4影响烧结的主要因素；
5实验时发生的现象、实验结果。
六思考题
1如何确定烧结制度？
2怎样正确使用高温炉子？
3如何判断烧结质量？
4常见烧结疵病及防治措施。
压电陶瓷微位移器件性能分析
压电陶瓷微位移器件性能分析 我国1426所在80年代研制出的WTDS-I型电致伸缩微位移器在国内许多研究部门得到应用，但生产单位没有及时对该器件的迟滞、蠕变、温度特性，尤其是动态特性进行必要的研究。作者根据本文的研究需要，对国内应用该产品的情况进行了大量调研和实验研究，从而获得了一些有关该产品性能的情况，现介绍如下： 一、迟滞及蠕变特性 图5.9是作者测得的WTDS-I电致伸缩微位移器的电压 位移实验曲线。从实验中发现，在高压段，微位移器出现蠕变现象，即在一定电压下，位移达到一定值后随时间缓慢变化，在较长的时间内达到稳定值，这一现象是微位移器内部电介质在电场作用下的极化驰豫造成的。图5.10是在300伏时，微位移器位移随时间的变化曲线。 二、温度特性 原航空航天部303所对WTDS-I型电致伸缩微位移器的温度特性进行了测试。图5.11是在一定电压下，微位移器的伸长量与温度的关系曲线，当温度低于0℃或超过20℃时，伸长量变小。 三、压力特性 在作者的要求下1426所对WTDS-I型电致伸缩微位移器的压力特性作了实验，图5.12是实验曲线，该曲线表示在某一电压下器件伸长量（不包括器件因受力而产生的压缩量）与压力的关系，△S表示在某一压力下的伸长量，S0表示空载时的伸长量，303所也做了这一实验，其结果相同。从图中可以看出：压力对位移量的影响不大。 四、刚度特性 刚度是指器件本身抵抗外力而产生变形的能力。哈尔滨工业大学机械系对WTDS-IB型电致伸缩微位移器件作了这方面的实验。图5.13是刚度特性曲线，在不加电压的情况下，得到的器件压缩量与压力的关系。压缩量—力回归关系式为： S = 0.155F + 2.96 其中S—器件的压缩量(μm) , F—施加外力 (N) 其相关系数为：r = 0.988 刚度为： 6.45(N/μm) 从图5.13中可以看出：在载荷较小时压缩量随载荷的加大而增加较快，而在载荷较大时压缩量随载荷的加大而增加较慢，且基本呈直线关系增加。这主要是 由于器件的叠堆结构造成的，叠堆是由多 片压电陶瓷薄片粘接而成，各薄片间的接 触刚度较差，随外力的增加，由于接触变 形使接触面积增大，刚度提高，因而出现 了如图5.13所示的压缩量与载荷的关系曲 线。 图5.14为在不同压力下的电压—位移曲线。从图中可以看出，微位器的位移随载荷的增加而减小，但电压—位移关系曲线的基本形状不变。
大学物理实验报告5
【实验题目】声速得测定班级姓名学号 上课日期 2015年月日教室房间组号 任课教师签字: 最终成绩: 【实验目得】 1.了解压电陶瓷换能器得功能 2.了解超声波产生与接收得原理 3.学会用共振干涉法与相位比较法与时差法测定声速。 【实验原理】 1.压电传感器得工作原理。 2.共振干涉(驻波)法测量波长得原理。 3.相位比较法测量波长得原理。 4、时差法测量声速得原理:声波传播得距离L与传播得时间t存在下列关系:L=V*t ,只要测出L与t就可测出声波传播得速度V。通过测量二换能器发射接收平面之间距离L与时间t ,就可以计算出当前介质下得声波传播速度。 固体中得纵波声速: 铝:C棒=5150m/s, 有机玻璃:C棒=1500～2200m/s。 5、固体介质中得声速测量 在固体中传播得声波就是很复杂得,它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等,而且各种声速都与固体棒得形状有关,金属棒一般为各向异性结晶体,沿任何方向可有三种波传播。所以本仪器实验时采用同样材质与形状得固体棒。固体介质中得声速测量需另配专用得SVG固体测量装置,用时差法进行测量。实验提供两种测试介质:有机玻璃棒与铝棒。每种材料有长50mm三根样品,只需将样品组合成不同长度测量两次,即可按上面得方法算出声速: 1 1 i i i i i L L v t t - - - = - (5-2-11) 图5-2-5 测量固体介质中声速得接线图 (1)按图5-2-5连接线路,将测试方法设置到“脉冲波”方式。 (2)将接收增益调到适当位置(一般为最大位置),以计时器不跳字为好。将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上,在换能器端面与固体棒得端面上涂上适量得耦合剂,再把固体棒放在发射面上,使其紧密接触并对准,然后将接收换能器接收端面放置于固体棒得上端面上并对准,利用接收换能器得自重与固体棒端面接触。 (3)记录计时器得读数为t i-1(时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出),固体棒得长度为L i-1。 (4)移开接收换能器,将另1根固体棒端面上涂上适量得耦合剂,置于下面一根固体棒之上,并保持良好接触,再放上接收换能器,这时计时器得读数为t i,固体棒得长度为L i。测量超声波在不同固体介质中传播
压电陶瓷的特性及应用举例
压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，又缓慢恢复到不带电的状态；逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，压电陶瓷会随之发生形变位移，电场撤去后，形变会随之消失。
Δ纳米级分辨率 压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于1%，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强度非常精确地控制形变量。 压电陶瓷是高精度致动器，它的分辨率可达原子尺度。在实际使用中，压电陶瓷的分辨 率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力 压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，对于小尺寸的压电陶瓷，出力 通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。
Δ响应时间快 实验十三 拉伸法测金属丝的扬氏弹性摸量 【预习题】 1．如何根据几何光学的原理来调节望远镜、光杠杆和标尺之间的位置关系？如何调节望远镜？ 答：（1）根据光的反射定律分两步调节望远镜、光杠杆和标尺之间的位置关系。第一步：调节来自标尺的入射光线和经光杠杆镜面的反射光线所构成的平面大致水平。具体做法如下：①用目测法调节望远镜和光杠杆大致等高。②用目测法调节望远镜下的高低调节螺钉，使望远镜大致水平；调节光杠杆镜面的仰俯使光杠杆镜面大致铅直；调节标尺的位置，使其大致铅直；调节望远镜上方的瞄准系统使望远镜的光轴垂直光杠杆镜面。第二步：调节入射角（来自标尺的入射光线与光杠杆镜面法线间的夹角）和反射角（经光杠杆镜面反射进入望远镜的反射光与光杠杆镜面法线间的夹角）大致相等。具体做法如下：沿望远镜筒方向观察光杠杆镜面，在镜面中若看到标尺的像和观察者的眼睛，则入射角与反射角大致相等。如果看不到标尺的像和观察者的眼睛，可微调望远镜标尺组的左右位置，使来自标尺的入射光线经光杠杆镜面反射后，其反射光线能射入望远镜内。 （2）望远镜的调节：首先调节目镜看清十字叉丝，然后物镜对标尺的像（光杠杆面镜后面2D 处）调焦，直至在目镜中看到标尺清晰的像。 2．在砝码盘上加载时为什么采用正反向测量取平均值的办法？ 答：因为金属丝弹性形变有滞后效应，从而带来系统误差。 【思考题】 1．光杠杆有什么优点？怎样提高光杠杆测量微小长度变化的灵敏度？ 答：（1）直观 、简便、精度高。 （2）因为 D x b L 2?=?，即b D L x 2=??，所以要提高光杠杆测量微小长度变化的灵敏度L x ??，应尽可能减小光杠杆长度b （光杠杆后支点到两个前支点连线的垂直距离），或适当增大D （光杠杆小镜子到标尺的距离为D ）。 2．如果实验中操作无误，得到的数据前一两个偏大，这可能是什么原因，如何避免？ 答：可能是因为金属丝有弯曲。避免的方法是先加一两个发码将金属丝的弯曲拉直。 3．如何避免测量过程中标尺读数超出望远镜范围？ 答：开始实验时，应调节标尺的高低，使标尺的下端大致与望远镜光轴等高，这样未加砝码时从望远镜当中看到的标尺读数接近标尺的下端，逐渐加砝码的过程中看到标尺读数向上端变化。这样就避免了测量 摘要：通过对压电陶瓷器件进行阻抗测试可得到压电振子等效电路模型参数与谐振频率。通过对压电陶瓷器件电容值、温度稳定性、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析后可知：压电陶瓷器件电特性符合一般电容器特点，所用连接线材在较低频率下寄生电容不明显，在常温下工作较稳定，厚度较厚的产品绝缘性和可靠性指标较好。 关键词：压电陶瓷；等效电路模型；电特性；可靠性 0 引言 压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics，PZT)受到微小外力作用时，能把机械能变成电能，当加上电压时，又会把电能变成机械能。它通常由几种氧化物或碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。与其他压电材料相比，具有化学性质稳定，易于掺杂、方便塑形的特点[1]，已被广泛应用到与人们生活息息相关的许多领域,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。利用铁电陶瓷的高介电常数可制作大容量的陶瓷电容器；利用其压电性可制作各种压电器件；利用其热释电性可制作人体红外探测器；通过适当工艺制成的透明铁电陶瓷具有电控光特性，利用它可制作存贮，显示或开关用的电控光特性器件。通过物理或化学方法制备的PZT、PLZT等铁电薄膜，在电光器件、非挥发性铁电存储器件等有重要用途[2-5]。 为了保护生态环境，欧盟成员国已规定自2006年7月1日起，所有在欧盟市场上出售的电子电气产品设备全部禁止使用铅、水银、镉、六价铬等物质。我国对生态环境的保护也是相当重视的。因此，近年来对无铅压电陶瓷进行了重点发展和开发。但无铅压电陶瓷性能相对于PZT陶瓷来说，总体性能还是不足以与PZT陶瓷相比。因此，当前乃至今后一段时间内压电陶瓷首选仍将是以PZT为基的陶瓷。 本文将应用逆压电效应以压电陶瓷蜂鸣片为例进行阻抗测试、电容值、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析。 1 测量参数和实验方法依据 目前我国现有的关于压电陶瓷材料的测试标准主要有以下： GB/T 3389-2008 压电陶瓷材料性能测试方法 GB/T 6427-1999 压电陶瓷振子频率温度稳定性的测试方法 GB/T 16304-1996 压电陶瓷电场应变特性测试方法 GB 11387-89 压电陶瓷材料静态弯曲强度试验方法 GB 11320-89 压电陶瓷材料性能方法（低机械品质因数压电陶瓷材料性能的测试） 迟滞比较器单门限电压比较器虽然有电路简 单、灵敏度高等特点，但其抗干 扰能力差。例如，在单门限电压v中含XX_01中，当比较器的图I有噪声或干扰电压时，其输入和所示，输出电压波形如图XX_01VvV附近出现干扰，由于在==REFthI VvV，导致将时而为，时而为OLOOH比较器输出不稳定。如果用这个v去控制电机，将出现输出电压O频繁的起停现象，这种情况是不允许的。提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。．电路组成1迟滞比较器是一个具有迟滞回环所示为特性的比较器。图XX_02aXX_01 图反相输入迟滞比较器原理电路，它是在反相输入单门限电压比较 器的基础上引入了正反馈网络，如其传输特性如图XX_02b所示。Vv位置互换，就可组成将与REFI同相输入迟滞比较器。 (a) 2．门限电压的估算 由于比较器中的运放处于开环状态或正反馈状态，因此一般情况vv不下，输出电压与输入电压IO成线性关系，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个输入(b) 端之间的电压才可近似认为等于图XX_02 零，即 （1）或 设运放是理想的并利用叠加原理，则有 （2） word 编辑版． vVVVV和下门限电压的不同值（根据输出电压），可求出上门限电压或TOLOT+–OH分别为 （3） （4） 门限宽度或回差电压为 （5） ，则由式(3)~(5)XX_02a所示，且可求得设电路参数如图 ，和。 3．传输特性 开始讨论。设从，和 vvv增加当由零向正方向增加到接近前，不变。当一直保持IOI vVvVV下跳到下跳到，到略大于。再增加，，则同时使由POLOHOI v保持不变。O vv不变，将始终保持只有当，则若减小，只要oI V。其传输特性如图XX_02b跳到所示。时，才由OH v的变化而改变的。由以上分析可以看出，迟滞比较器的门限电压是随输出电压o它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高了 （此文档部分内容来源于网络，如有侵权请告知删除，文档可自行编辑修改内容，供参考，感谢您的配合和支持） word 编辑版． word 编辑版． 压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。 图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。 实验十二压电陶瓷压电性能测定 实验名称： 压电陶瓷压电性能测定 实验项目性质： 普通实验 所涉及课程： 电子材料 计划学时：2学时 一、实验目的 1.了解压电常数的概念和意义； 2.掌握压电陶瓷压电常数的测定方法。 3.学会操作ZJ-3AN型准静态d33测量仪。 二、实验内容 1.实验老师介绍使用压电常数测量仪测试d33的原理与步骤； 2.测试压电陶瓷的压电常数。 三、实验（设计）仪器设备和材料清单 ZJ-3AN型准静态d 33测量仪、压电陶瓷晶片等。 四、实验原理 压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，是一种具有压电效应的材料。 当在某一特定方向对晶体施加应力时，在与应力垂直方向两端表面能出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这一现象被称为“正压电效应”。 逆压电效应： 当一块具有压电效应的晶体置于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，形变量与电场强度成正比。 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。通常用d ij表示，下标中第一个数字代表电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字代表应力或应变方向。 五、实验步骤 （1）用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接通电源。 （2）把Φ20尼龙片插入测量头的上下探头之间，调节手轮，使尼龙片刚好压住为止。 （3）把仪器后面板上的“显示选择”开关置于“d 33”一侧，此时面板右上方绿灯亮。 （4）把仪器后面板上的“量程选择”开关置于“×1”档。 （5）按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调节“调零”旋钮使面板表指示在“0”与“-0”之间跳动。调零即完成，撤掉尼龙片开始测量。 （6）依次接入待测元件，表头显示d 33结果及正负极性，记录。 （7）取三次测量的平均值。 六、实验报告要求 1.实验目的； 信息功能陶瓷材料综合实验 高春华黄新友 江苏大学材料科学与工程学院 序言 “信息功能陶瓷材料综合实验”是为大学生“陶瓷工艺学”、“无机材料物理性能”、“电子元器件概论”和“无机材料研究方法”等课程及实验编写的。 本实验是由十个综合实验所组成的系列实验，包括材料工艺实验：配料与混合、可塑法成型工艺、主晶相的固相法合成、硅碳棒电炉的使用、陶瓷的金属化与封接、压电陶瓷的极化等；材料性能评价实验：差热分析、陶瓷介电性能的测定、陶瓷压电性能的测定、PTC热敏陶瓷阻温特性测定等，以及进行信息功能陶瓷材料研究所需的基本技术实验。通过此系列实验，能使学生全面掌握信息功能陶瓷材料的研究和生产的整套生产工艺过程。 一实验目的 信息功能陶瓷材料综合实验，起着验证和巩固基本理论的作用，并可培养学生掌握有关材料的基本研究方法，是加强理论联系实际的重要环节之一。而且，也能够训练实验操作技能，培养分析、综合与处理实验数据的能力，能对提高学生的综合素质、动手能力、创新能力越到重要的促进作用。 二实验要求 实验前应该作好充分准备，弄清实验原理、实验目的、要求以及实验条件和可能产生偏差的因素等。 实验过程中应该操作准确、观察细心、正确地记录有关实验数据，并将实验过程中的异常现象及时记录下来。 实验数据的可靠性是分析与阐明实验结果，并作出必要结论的关键所在，所以在整个实验过程中，都应注意将实验误差限制在尽可能小的范围内，因此，对每一实验的操作、读数、记录都应认真对待，一丝不苟。 三注意事项 1．自觉遵守实验室规则。 2．实验前应根据实验讲义进得充分准备，实验前经老师提问合格后，方可开始实验。 3．实验过程中，严肃认真，保持实验室安静。严格按操作规程进行，注意安全，爱护仪器。 4．实验时，每个学生都应了解、掌握整个实验过程。 5．实验完毕，必须将实验记录交教师检查，合格者方可结束实验，不合格者重新进行实验。 6．每人必须认真填写一份实验报告，实验报告除包括必要的实验目的及原理以外，还应包括原始数据、计算方法、必要的数据表格与图形，主要的实验过程等。另外，还应对实验结果作必要的讨论，分析引起偏差的原因。书写应清楚整洁。7．实验时应保持实验台整洁，实验结束后应整理仪器，作好室内清洁卫生。 . 压电陶瓷的特性及应用举例 芯明天压电陶瓷以PZT锆钛酸铅材料为主，主要利用压电陶瓷的逆压电效应，即通过对压电陶瓷施加电场，压电陶瓷产生纳米级精度的致动位移。 芯明天压电陶瓷 Δ压电效应正压电效应是指压电陶瓷受到特定方向外力压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。又缓慢恢复到不带电的的作用时，在压电陶瓷的正负极上产生相反的电荷，当外力撤去后，压电陶瓷会随之发生形变位移，逆压电效应是指在对压电陶瓷的极化方向上施加电压，状态；电场撤去后，形变会随之消失。'. . Δ纳米级分辨率，虽然形变量非常小，但可通过改变电场强1%压电陶瓷的形变量非常小，一般都小于度非常精确地控制形变量。压电陶瓷的分辨它的分辨率可达原子尺度。压电陶瓷是高精度致动器，在实际使用中，率通常受到产生电场的驱动控制器的噪声和稳定性的限制。 Δ大出力出力对于小尺寸的压电陶瓷，压电陶瓷产生的最大出力大小取决于压电陶瓷的截面积，通常达到数百牛顿的范围，而对于大尺寸的压电陶瓷，出力可达几万牛顿。'. . Δ响应时间快 电的时间，。达毫秒至亚毫秒量级。最快响应时间取决于压电陶瓷的谐振频率，一般为谐振时间的1/3 压电陶瓷被广泛应用于阀门与快门技术中。 Δ迟滞即压电陶瓷升压曲线和降尽管压电陶瓷具有非常高的分辨率，但它也表现出迟滞现象，上升曲线和下降曲线上的位移值有明显的位移在同一个电压值下，压曲线之间存在位移差。驱动电压越小则位移差也会相应越小，差，且这个位移差会随着电压变化范围的改变而改变，15%10%压电陶瓷的迟滞一般在给定电压对应位移值的-左右。'. . Δ蠕变而是位移值不是稳定在一固定值上，蠕变是指当施加在压电陶瓷的电压值不再变化时，内蠕变量约为10s随着时间缓慢变化，在一定时间之后才会达到稳定值，如右图所示。一般 1%~2%。伸长量的 锆钛酸钡电子陶瓷材料的制备 前言 电子陶瓷是指以电、磁、光、声、热、力、化学和生物等信息的检测、转换、耦合、传输及存储等功能为主要特征的陶瓷材料,主要包括压电、介电、离子导体、超导和磁性陶瓷等。电子陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位,世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件问世。近年来,在国家诸多重点科研计划的支持和推动下,我国在电子陶瓷材料的科学研究与产业化方面有很大发展,但总体来看,我国的电子信息产业,特别是一些附加价值高、技术含量高的新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距,不少高端产品在相当大的程度上被外资企业所控制。国外的大公司如日本的村田、松下、京都陶瓷,美国的摩托罗拉等近年来长驱直入中国市场,目前已占据了国内片式元器件特别是高档片式元器件市场相当大的份额。我国信息产业正面临着产品升级换代的机遇和挑战。 随着电子信息技术的高速发展,电子陶瓷材料应用领域正在从传统的消费类电子产品转向数字化的信息产品,包括通信设备、计算机和数字化音视频设备等,数字技术对陶瓷元器件提出了一系列特殊的要求。为了满足这些要求,世界各国的大学、研究机构和企业都在以信息技术为应用领域的功能陶瓷新材料、新工艺、新产品方面投入巨资进行研究开发。 传统电子陶瓷材料在电子工业、微电子工业等领域中已经获得了广泛的应用,为高科技发展和国民经济繁荣做出了卓越的贡献。目前这类材料的研究领域主要是利用先进的材料制备技术来进一步改善和提高性能。 钛酸钡BaTi03是一种被普遍研究的具有钙钛矿结构的铁氧体，因其优良的介电性能，在电容器件等方面具有广泛的应用。为了增加介电常数的可调性，降低介电损耗，往往通过掺杂的方法，如用化学性能更为稳定的Zr4+，取代Ti4+，得到锆钛酸钡Ba(Ti0.95 Zr0．05) 03( BZT)。传统的烧结陶瓷方法多采用固相反应烧结。大致分为：热压烧结，热等静压烧结，微波烧结，超高压烧结，真空烧结，气氛烧结，原位加压成型烧结等。本文研究用固相反应法烧结锆钛酸钡压电陶瓷及其特性分析。 实验过程 本实验采用固相烧结法，即固体粉末在高温环境各自分子扩散形成陶瓷化学结 一、实验目 压电陶瓷振动的干涉测量实验报告 的与实验仪 器 1.实验目的 （1）了解压电陶瓷的性能参数；? （2）了解电容测微仪的工作原理，掌握电容测微仪的标定方法； ? （3）、掌握压电陶瓷微位移测量方法。 2.实验仪器 压电陶瓷材料（一端装有激光反射镜，可在迈克尔逊干涉仪中充当反射镜）、光学防震平台、半导体激光器、双踪示波器、分束镜、反射镜、二维可调扩束镜、白屏、驱动电源、光电探头、信号线等。 二、实验原理 1. 压电效应 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释。晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象，因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有密切关系。 1) 正压电效应：压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。对于各向异性晶体，对晶体施加应力时，晶体将在 X，Y，Z 三个方向出现与应力成正比的极化强度，即： E = g·T（g为压电应力常数）， 2) 逆压电效应：当给压电晶体施加一电场 E 时，不仅产生了极化，同时还产生形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效 应。这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系： S = d·U（d为压电应变常数） 对于正和逆压电效应来讲， g和d 在数值上是相同的。 2. 迈克耳逊干涉仪的应用 迈克耳逊干涉仪可以测量微小长度。上图是迈克耳逊干涉仪的原理图。分光镜的第二表面上涂有半透射膜，能将入射光分成两束，一束透射，一束反射。分光镜与光束中心线成 45°倾斜角。M1和 M2为互相垂直并与分束镜都成 45°角的平面反射镜，其中反射镜 M1后附有压电陶瓷材料。 由激光器发出的光经分光镜后，光束被分成两路，反射光射向反射镜 M1（附压电陶瓷），透射光射向测量镜 M2（固定），两路光分别经 M1、M2反射后，分别经分光镜反射和透射后又会合，经扩束镜到达白屏，产生干涉条纹。M1和 M2与分光镜中心的距离差决定两束光的光程差。因而通过给压电陶瓷加电压使 M1随之振动，干涉条纹就发生变化。由于干涉条纹变化一级，相当于测量镜 M1移动了λ/2，所以通过测出条纹的变化数就可计算出压电陶瓷的伸缩量。 三、实验步骤 1)将驱动电源分别与光探头，压电陶瓷附件和示波器相连，其中压电陶瓷 附件接驱动电压插口，光电探头接光探头插口，驱动电压波形和光探头波形插口分别接入示波器 CH1 和 CH2； 2)在光学实验平台上搭制迈克尔逊干涉光路，使入射激光和分光镜成 45 度，反射镜 M1 和 M2与光垂直，M1 和 M2 与分光镜距离基本相等； 迟滞比较器 单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。例如，在单门限电压比较器的图XX_01中，当v I 中含有噪声或干扰电压时，其输入和输出电压波形如图XX_01所示，由于在v I =V th =V REF 附近出现干扰，v O 将时而为V OH ，时而为V OL ，导致比较器输出不稳定。如果用这个输出电压v O 去控制电机，将出现频繁的起停现象，这种情况是不允许的。提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。 1．电路组成 迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器。图XX_02a 所示为反相输入迟滞比较器原理电路，它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，其传输特性如图XX_02b 所示。如将v I 与V REF 位置互换，就可组成同相输入迟滞比较器。 2．门限电压的估算 由于比较器中的运放处于开环状态或正反馈状态，因此一般情况下，输出电压v O 与输入电压v I 不成线性关系，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个输入端之间的电压才可近似认为等于零，即 或 （1） 设运放是理想的并利用叠加原理，则有 （2） 图 XX_01 (a) (b) 图XX_02 根据输出电压v O的不同值（V OH或V OL），可求出上门限电压V T+和下门限电压V T–分别为 （3） （4） 门限宽度或回差电压为 （5） 设电路参数如图XX_02a所示，且，则由式(3)~(5)可求得 ，和。 3．传输特性 设从，和开始讨论。 当v I由零向正方向增加到接近前，v O一直保持不变。当v I增加 到略大于，则v O由V OH下跳到V OL，同时使v P下跳到。V I再增加， v 保持不变。 O 若减小v I，只要，则v o将始终保持不变，只有当 时，才由跳到V OH。其传输特性如图XX_02b所示。 由以上分析可以看出，迟滞比较器的门限电压是随输出电压v o的变化而改变的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高了 压电陶瓷特性及振动的干涉测量 具有压电效应的材料叫压电材料，可将电能转换成机械能，也能将机械能转换成电能，它包括压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料等。压电陶瓷制造工艺简单，成本低，而且具有较高的力学性能和稳定的压电性能，是当前市场上最主要的压电材料，可实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。由压电陶瓷制成的各种压电振子、压电电声器件、压电超声换能器、压电点火器、压电马达、压电变压器、压电传感器等在信息、激光、导航和生物等高技术领域得到了非常广泛的应用。本实验通过迈克尔逊干涉方法测量压电陶瓷的压电常数及其振动的频率响应特性。 【实验目的】 1．了解压电材料的压电特性； 2．掌握用迈克尔逊干涉方法测量微小位移。 3. 测量压电陶瓷的压电常数。 4. 观察研究压电陶瓷的振动的频率响应特性。 【实验原理】 1. 压电效应 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释。晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象，因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有密切关系。 (1)正压电效应 压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。对于各向异性晶体，对晶体施加应力j T 时，晶体将在X ，Y ，Z 三个方向出现与j T 成正比的极化强度， 即： j mj m T d P =， 式中mj d 称为压电陶瓷的 压电应力常数。 (2)逆压电效应 当给压电晶体施加一电场E 时，不仅产生了极化，同时还产生形变S ，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。这是由于晶体受电场作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系n ni i E d S =，式中ni d 称为压电应变常数 ，对于正和逆压电效应来讲，d 在数值上是相同的。压电晶体的压电形变有厚度变形型、长度变形型、厚度切变型等基本形式。当对压电晶体施加交变电场时，晶体将随之在某个方向发生机械振动。在不同频率区间压电陶瓷阻抗性质（阻性、感性、容性）不同，对某一特定形状的压电陶瓷元件，在某一频率处（谐振频率），呈现出阻抗最小值，当外电场频率等于谐振频率时，陶瓷片产生机械谐振，振幅最大；而在另一频率处（反谐振频率），呈现出阻抗最大值。 实验十二压电陶瓷压电性能测定 实验名称：压电陶瓷压电性能测定 实验项目性质：普通实验 所涉及课程：电子材料 计划学时：2学时 一、实验目的 1.了解压电常数的概念和意义； 2.掌握压电陶瓷压电常数的测定方法。 3.学会操作ZJ-3AN型准静态d33测量仪。 二、实验内容 1. 实验老师介绍使用压电常数测量仪测试d33的原理与步骤； 2. 测试压电陶瓷的压电常数。 三、实验（设计）仪器设备和材料清单 ZJ-3AN型准静态d33测量仪、压电陶瓷晶片等。 四、实验原理 压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，是一种具有压电效应的材料。 当在某一特定方向对晶体施加应力时，在与应力垂直方向两端表面能出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这一现象被称为“正压电效应”。 逆压电效应：当一块具有压电效应的晶体置于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，形变量与电场强度成正比。 压电常数是反映力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互耦合的线性响应系数。通常用d ij 表示，下标中第一个数字代表电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字代表应力或应变方向。 五、实验步骤 （1）用两根多芯电缆把测量头和仪器本体连接好，接通电源。 （2）把Φ20尼龙片插入测量头的上下探头之间，调节手轮，使尼龙片刚好压住为止。（3）把仪器后面板上的“显示选择”开关置于“d33”一侧，此时面板右上方绿灯亮。（4）把仪器后面板上的“量程选择”开关置于“×1”档。 （5）按下“快速模式”，仪器通电预热10分钟后，调节“调零”旋钮使面板表指示在“0”与“-0”之间跳动。调零即完成，撤掉尼龙片开始测量。 （6）依次接入待测元件，表头显示d33结果及正负极性，记录。 （7）取三次测量的平均值。 六、实验报告要求 压电陶瓷振动的干涉测量 实验报告 Newly compiled on November 23, 2020 一、实验目 压电陶瓷振动的干涉测量实验报告 的与实验仪 器 1.实验目的 （1）了解压电陶瓷的性能参数； （2）了解电容测微仪的工作原理，掌握电容测微仪的标定方法； （3）、掌握压电陶瓷微位移测量方法。 2.实验仪器 压电陶瓷材料（一端装有激光反射镜，可在迈克尔逊干涉仪中充当反射镜）、光学防震平台、半导体激光器、双踪示波器、分束镜、反射镜、二维可调扩束镜、白屏、驱动电源、光电探头、信号线等。 二、实验原理 1. 压电效应 压电陶瓷是一种多晶体，它的压电性可由晶体的压电性来解释。晶体在机械力作用下，总的电偶极矩（极化）发生变化，从而呈现压电现象，因此压电陶瓷的压电性与极化、形变等有密切关系。 1) 正压电效应：压电晶体在外力作用下发生形变时，正、负电荷中心发生相对位移，在某些相对应的面上产生异号电荷，出现极化强度。对于各向异性晶体，对晶体施加应力时，晶体将在 X，Y，Z 三个方向出现与应力成正比的极化强度，即： E = g·T（g为压电应力常数）， 2) 逆压电效应：当给压电晶体施加一电场 E 时，不仅产生了极化，同时还产生形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。这是由于晶体受电场 作用时，在晶体内部产生了应力（压电应力），通过应力作用产生压电应变。存在如下关系： S = d·U（d为压电应变常数） 对于正和逆压电效应来讲， g和d 在数值上是相同的。 2. 迈克耳逊干涉仪的应用 迈克耳逊干涉仪可以测量微小长度。上图是迈克耳逊干涉仪的原理图。分光镜的第二表面上涂有半透射膜，能将入射光分成两束，一束透射，一束反射。分光镜与光束中心线成 45°倾斜角。M1和 M2为互相垂直并与分束镜都成 45°角的平面反射 镜，其中反射镜 M1后附有压电陶瓷材料。 由激光器发出的光经分光镜后，光束被分成两路，反射光射向反射镜 M1（附压电陶瓷），透射光射向测量镜 M2（固定），两路光分别经 M1、M2反射后，分 别经分光镜反射和透射后又会合，经扩束镜到达白屏，产生干涉条纹。M1和 M2与分光镜中心的距离差决定两束光的光程差。因而通过给压电陶瓷加电压使 M1随之振动，干 涉条纹就发生变化。由于干涉条纹变化一级，相当于测量镜 M1移动了λ/2，所以通过测出条纹的变化数就可计算出压电陶瓷的伸缩量。 三、实验步骤 1)将驱动电源分别与光探头，压电陶瓷附件和示波器相连，其中压电陶瓷 附件接驱动电压插口，光电探头接光探头插口，驱动电压波形和光探头波形插口分别接入示波器 CH1 和 CH2； 2)在光学实验平台上搭制迈克尔逊干涉光路，使入射激光和分光镜成 45 度，反射镜 M1 和 M2与光垂直，M1 和 M2 与分光镜距离基本相等；3)打开激光器，手持小孔屏观察各光路，适当调整各元件位置和角度，保 压电陶瓷微位移性能测量实验报告 一、实验目的： 1、了解压电陶瓷的性能参数； 2、了解电容测微仪的工作原理，掌握电容测微仪的标定方法； 3、掌握压电陶瓷微位移测量方法； 二、实验仪器： 电容测微仪一台：型号JDC-2000测微台架一台：型号BCT－5C，斜度1:50直流调压器一台：电压量程（0～300V）标定平铁板一块压电陶瓷管一根 三、实验原理： （一）利用测微台架标定电容测微仪 在测微台架的台架上放置一金属平板，将电容测微仪探头用测微台架夹紧，使探头的端面与平板平行，见图1，移动测微台架的旋钮，分别读出测微仪移动示值和电容测微仪的示值。这样得到一组数据即可对电容测微仪进行标定。 图1 电容侧微仪标定原理图 （二）用标定后的电容测微仪测量压电陶瓷管的线性度 在电容测微仪的线性区（对应机械标定仪的某个位置），通过可调直流电源按一定间隔改变直流电压（见图2），分别对压电陶瓷加压，使之分别产生轴向变形（见图3）和弯曲变形（见图4），从而得到压电陶瓷的伸长与偏转量与施加其上的电压的关系。 图2 可调高压电源图3 测压电陶瓷轴向伸缩图4测压电陶瓷侧向弯曲 四、实验步骤 （一）标定电容测微仪的线性度 １、实验前，了解实验原理及其实验注意事项，并检查实验仪器是否齐全。 ２、使用仪器前，将传感器端面与被测物（标定平铁板）表面用汽油认真清洗干净，以清洗掉杂质及灰尘微粒；而后将电源线和传感器与电缆分别连接好并拧紧。 ３、将标定平铁板安放在测微台架的台架上，而后用夹具将电容传感器探头夹紧，接着上下调整探头使探头与标定平铁板距离接近测量区。 ４、为便于进行数据分析，可将测微台架示值调至某一合适值，并将电容测微仪示值调零，而后进行实验；实验采用一人细调（等间距）测微台架，另一人记录的方式，为了标定线性区，测定线性误差，调值采用先等间距调至140μm，再等间距调回的方法。（为了节约时间，调值范围为0～140μm，调值间距为5μm，共计读29个数。）５、实验完成后，调整测微台架使探头远离标定平板到合适位置，取下标定平板（并估算找出电容测微仪的线性工作区，我们找的较为好的线性工作区是0～100μm）以进行压电陶瓷的性能及其微位移测量的实验。 （二）、压电陶瓷加电时的性能及其微位移测量 测压电陶瓷轴向伸缩： １、将压电陶瓷的中线（Z）接至变压器的U+端，两边的两个接线头均接至变压器的地接口端（GND）。 ２、将压电陶瓷小心垂直轻放在测微台架的台架上（如图3），并将探头靠近压电陶瓷至电容测微仪线性工作区（注：应先粗调而后细调以使电容测微仪示值在6～94μm以内， 压电式传感器测振动实验报告 篇一：压电式传感器实验报告 一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。 二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。双踪示波器。 四、实验步骤： 1、压电传感器装在振动台面上。 2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。 3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端 Vo1，接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。 3、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。 4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。 光纤式传感器测量振动实验 一、实训目的：了解光纤传感器动态位移性能。 二、实训仪器：光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。 三、相关原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应，用合适的测量电路即可测量振动。 四、实训内容与操作步骤 1、光纤位移传感器安装如图所示，光纤探头对准振动平台的反射面，并避开振动平台中间孔。 2、根据“光纤传感器位移特性试验”的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。 3、参考“光纤传感器位移特性试验”的实验连线，Vo1与低通滤波器中的Vi 相接，低通输出Vo接到示波器。 4、将低频振荡器的幅度输出旋转到零，低频信号输入到振动模块中的低频输入。 5、将频率档选在6~10Hz左右，逐步增大输出幅度，注意不能使振动台面碰到传感器。保持振动幅度不变，改变振动频率，观察示波器波形及锋-峰值。保持频率振动不变，改变振动幅度，观察示波器波形及锋-峰值。 篇二：实验六压电式传感器测振动实验 一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。 大学物理实验-介电常数的测量 介电常数的测定实验报告 数学系 周海明 PB05001015 2006-11-16 实验题目：介电常数的测定 实验目的：了解多种测量介电常数的方法及其特点和适用范围，掌握替代法，比较 法和谐振法测固体电介质介电常数的原理和方法，用自己设计与制作的介电常数测试仪，测量压电陶瓷的介电常数。 实验原理：介质材料的介电常数一般采用相对介电常数r ε来表示，通常采用测量样 品的电容量，经过计算求出r ε，它们满足如下关系：S Cd r 00εεεε== （1）。式中ε为绝对介电常数，0ε为真空介电常数，m F /10 85.812 0-?=ε，S 为样 品的有效面积，d 为样品的厚度，C 为被测样品的电容量，通常取频率为1kHz 时的电容量C 。 一、替代法 替代法参考电路如图1所示，将待测电容C x （图中R x 是待测电容的介电损耗电阻），限流电阻R 0(取1k Ω)、安培计与信号源组成一简单串联电路。合上开关K 1，调节信号源的频率和电压及限流电阻R 0，使安培计的读数在毫安范围恒定（并保持仪器最高的有效位数），记录读数I x 。将开关K 2打到B 点，让标准电容箱C s 和交流电阻箱R s 替代C x 调节C s 和R s 值，使I s 接近I x 。多次变换开关K 2的位置(A,B 位)，反复调节C s 和R s ，使X S I I =。假定C x 上的介电损耗电阻R x 与标准电容箱的介电损耗电阻R s 相接近（s x R R ≈），则有 s x C C =。 另一种参考电路如图2所示，将标准电容箱C s 调到极小值，双刀双掷开关K 2扳到AA ’，测量C x 上的电压V x 值；再将K 2扳到BB ’，调节C s 让C s 上的电压V S 接近V x 。将开关K 2来回扳到AA ’和BB ’位，不断调节C s 和R s 值，使伏特计上的读数不变，即X S V V =，若s x R R ≈，则有 s x C C =。 二、比较法 当待测的电容量较小时，用替代法测量，标准可变电容箱的有效位数损失太大，可采用比较法。此时电路引入的参量少，测量精度与标准电容箱的精度密切相关，考虑到C s 和R s 均是十进制旋钮调节，故无法真正调到 X S V V =，所以用比较法只能部分修正电压差带来的误 差。比较法的参考电路如图3所示，假定C s 上的R x 与R s 接近（s x R R ≈），则测量C x 和C s 上的电压比V s /V x 即可求得C x ：X S s x V V C C /?=。 三、谐振法 谐振法测量电容的原理图见图4，由已知电感L （取1H ），电阻R （取1k Ω）和待测电容C x 组成振荡电路，改变信号 源频率使RLC 回路谐振，伏特计上指示最大，则电容可由下式求出： L f C X 2241 π= （2）。式中f 为频率，L 为已知电感，C x 为待测电容。为减小 误差，这时可采用谐振替代法来解决。 谐振替代法参考电路如图5所示，将电感器的一端与待测电容C x 串联，调节频率f 使电路达到谐振，此时电容上的电压达到极大值，固定频率f 0，用标准电容箱C s 代替C x ，调节C s 使电路达到谐振，电容上的电压再次达到极大值，此时s x C C =。大学物理实验报告思考题部分答案 周岚
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