PZT陶瓷在不同溫度下電致裂紋擴(kuò)展的實驗研究①

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

鐵電材料具有良好的力電功能轉(zhuǎn)換率和比較大的力電耦合系數(shù)，被廣泛用來制作微傳感器、制動器等機(jī)敏器件。實際使用時，電荷載的作用會導(dǎo)致鐵電材料的斷裂行為和疲勞裂紋擴(kuò)展行為，這限制了鐵電材料更進(jìn)一步的應(yīng)用以及鐵電材料器件性能的進(jìn)一步提高。因此，研究鐵電材料的電致疲勞裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象具有十分重要的意義[1～2]。

目前，研究人員對含貫穿裂紋的鐵電材料的電致裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象進(jìn)行了實驗研究[3～8]。Liu等給出了不同電場強(qiáng)度下裂紋擴(kuò)展長度隨加載圈數(shù)變化的關(guān)系曲線[3～4]。蔣葉劍研究了試件寬度、電場和電場強(qiáng)度因子對鐵電材料電致疲勞裂紋擴(kuò)展的影響[5]。Westram等通過實驗研究發(fā)現(xiàn)電場強(qiáng)度越大，應(yīng)力強(qiáng)度因子越大，裂紋擴(kuò)展速度越快[6～7]。Fang等研究了電場的頻率、幅值和波形對鐵電陶瓷試件電致裂紋擴(kuò)展的影響[8]。以上的實驗研究均是在常溫下進(jìn)行，而鐵電器件也越來越多的應(yīng)用于高溫環(huán)境下，比如鐵電材料用于汽車發(fā)動機(jī)的油料噴嘴時，不僅會受到力和電的作用，還要受到熱載荷的作用，因此工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)計急需了解溫度對鐵電材料電致斷裂和電致疲勞的影響。因此我們自行搭建了加載和測量裝置，并用它們研究了PZT壓電陶瓷在不同溫度下的電致疲勞裂紋擴(kuò)展情況。

圖1 實驗裝置示意圖

1 實驗材料和實驗裝置

1.1 實驗材料

實驗采用的是已經(jīng)切割好的長條形PZT-5試件，尺寸為40 mm×5 mm×1.5 mm。試件的倆個40 mm×1.5 mm面都已鍍好銀電極，通過銀電極在試件倆端施加交變電場。使用慢速金剛石線精密切割機(jī)在試件的40 mm×1.5 mm面一端中間平行于試件的電極面切割一條貫穿試件的裂紋，裂紋長度約為2 mm。所有切好裂紋的試件都先用600號普通砂紙打磨，去掉試件表面較大的劃痕后再用1200、2400號精密砂紙打磨10min使試件表面達(dá)到鏡面化效果，通過奧林巴斯光學(xué)體式反射光顯微鏡以200倍率放大觀測試件表面，當(dāng)砂紙拋磨完成之后，試件表面無任何殘留的明顯劃痕，試件拋光完成后清洗干凈并烘干。

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。容器底面是銅片其它四面為普通玻璃，通過高溫玻璃膠粘結(jié)而成。容器底面用銅片是為了方便加熱臺對硅油進(jìn)行加熱。試件浸泡在充滿硅油的玻璃容器內(nèi)，使用螺釘進(jìn)行夾持并通過螺釘接觸試件的上下銀電極面引入高電壓。采用靜電計測量電容倆端電壓并通過數(shù)據(jù)采集卡采集該數(shù)據(jù)。

圖1實驗通過信號發(fā)生器輸出波形，通過高壓電源放大1000后施加到試件上，高壓電源配有高壓輸出的監(jiān)控信號，為輸出高壓的1 /1000，使用數(shù)據(jù)采集卡通過計算機(jī)可以直接采集該監(jiān)控信號。數(shù)據(jù)采集卡采集到的電容倆端電壓以及高壓電源電壓通過Sawyer-Tower方法可以得到試件加載過程中的電滯回線。實驗過程中，通過高速相機(jī)對試件裂紋面進(jìn)行實時觀測，并拍攝下試件的電致裂紋擴(kuò)展過程的錄像。實驗采用的是鋸齒波形，電場強(qiáng)度為1.8kV/mm，加載溫度分別為20 ℃、50 ℃、80 ℃、120 ℃和160 ℃，頻率分別為0.1 Hz、1 Hz和10 Hz。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 PZT陶瓷在不同溫度、不同頻率下電致裂紋擴(kuò)展時的電滯回線

圖2 PZT陶瓷電致裂紋擴(kuò)展時的電滯回線

圖3 PZT陶瓷不同溫度、不同頻率下的電滯回線

在記錄裂紋擴(kuò)展情況的同時，測試了PZT陶瓷電致裂紋擴(kuò)展過程中的電滯回線。從圖2可以看到，材料在加載頻率為10 Hz、溫度20 ℃時第一個周期、第二個周期、第十個周期的電滯回線基本沒有變化，而從錄像中可以看到第十周期電場加載前，試件已經(jīng)擴(kuò)展了8.5 mm，也就是說裂紋的擴(kuò)展對試件的電滯回線沒有影響，說明裂紋面的電邊界條件是導(dǎo)通的。

圖3(a)是材料在不同溫度下的電滯回線。隨著溫度的升高，材料的矯頑電場和剩余極化都逐漸減小，這與李應(yīng)衛(wèi)等[9]所做實驗結(jié)果是一致的。頻率1 Hz下，20 ℃時，材料的矯頑電場和剩余極化分別是1.018 kV/mm和0.375 C/m2，而到了160 ℃時，矯頑電場和剩余極化分別減小到了0.593 kV/mm和0.283 C/m2，這是因為PZT陶瓷是熱釋電材料，隨著溫度的升高，自發(fā)極化會減小，剩余極化也會相應(yīng)減小，而自發(fā)極化的減小也會導(dǎo)致電疇翻轉(zhuǎn)所需能量減少，所以矯頑電場也會隨之減小。

圖4 不同溫度、不同頻率下裂紋擴(kuò)展速度

圖5 不同溫度下的蝶形回線

圖6 測試完成后試件

圖3(b)是材料在不同頻率下的電滯回線。常溫下，加載頻率0.1Hz時矯頑電場為0.955 kV/mm，隨著頻率的增大，材料的矯頑電場逐漸增大，10 Hz時的矯頑電場增大到了1.089 kV/mm，而剩余極化隨溫度的變化極小。這是因為隨著頻率的增大，電疇翻轉(zhuǎn)時疇壁之間相互作用越大，電疇翻轉(zhuǎn)所需能量越大，最終導(dǎo)致矯頑電場增大。

2.2 PZT陶瓷在不同溫度下電致裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)

圖4分別為0.1 Hz、1 Hz、10 Hz時試件在不同溫度下前十圈試件裂紋擴(kuò)展長度和電場加載圈數(shù)的關(guān)系曲線?？梢钥吹剑S著溫度的升高，裂紋擴(kuò)展速度逐漸降低，頻率1Hz下，溫度20 ℃時，裂紋前10 圈擴(kuò)展速度達(dá)到0.75 mm/圈，到160 ℃時，裂紋擴(kuò)展速度已經(jīng)降到接近0.1 mm/圈；隨著頻率的增大，裂紋擴(kuò)展速度加快，常溫下，0.1 Hz時前十圈裂紋擴(kuò)展速度0.55 mm/圈，到10 Hz時速度增漲到了0.95 mm/圈。圖6是頻率20 mHz時測得的PZT陶瓷在不同溫度下的蝶形回線，可以看到，隨著溫度的升高，電場從零增加到矯頑電場時的應(yīng)變量減小，由此引起的裂尖應(yīng)力不協(xié)調(diào)減小，最終導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速度降低。而隨著頻率的增大，材料矯頑電場增大，電場從零增加到矯頑電場時的應(yīng)變量會增大，裂尖集中應(yīng)力增大導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速度增快。

需要注意的是，測試觀察到的實驗現(xiàn)象與以前有兩點不同：

(1)裂紋擴(kuò)展速度要比以前實驗報道的速度快的多。1 Hz、20 ℃加載時，裂紋擴(kuò)展速度可達(dá) 0.75 mm/圈，而在Westram等[6]的實驗研究中，相同加載情況下，裂紋前十圈擴(kuò)展速度為0.12 mm/圈，該現(xiàn)象已不能用現(xiàn)有的模型解釋。

(2)實驗中還觀測到，試件除了有預(yù)制裂紋的一端會出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展外，試件另一端也萌生了新裂紋并向倆端擴(kuò)展。如圖7所示測試完成后試件的裂紋面的整體情況，可以看到20 ℃及50 ℃時，20 圈加載后，裂紋已經(jīng)貫穿整個試件，這是裂紋尖端擴(kuò)展的裂紋與試件另一端萌生并擴(kuò)展的裂紋連接起來造成的。這個現(xiàn)象進(jìn)一步說明，鐵電材料的斷裂破壞應(yīng)該有新的破壞機(jī)理需要揭示。

3 結(jié) 論

通過自行搭建的加載和測量裝置，研究了PZT壓電陶瓷在不同溫度下的電致疲勞裂紋擴(kuò)展情況。得到了PZT陶瓷在不同溫度下隨著裂紋擴(kuò)展的電滯回線以及PZT陶瓷在不同溫度下的裂紋擴(kuò)展速度曲線，通過實驗分析發(fā)現(xiàn)：

a 隨著裂紋的擴(kuò)展，試件的電滯回線基本沒什么變化，說明裂紋面的電邊界條件是導(dǎo)通的，這對解釋鐵電材料的斷裂機(jī)理有著重要的作用。

b 隨著溫度的升高，材料的矯頑電場和剩余極化都逐漸減小，裂紋擴(kuò)展速度變慢；20 ℃和50 ℃時，裂紋很快貫穿整個試件，而高溫時，裂紋經(jīng)過一段時間的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展后速度變慢并最終停止。

c 隨著頻率的增大，材料的矯頑電場增大，剩余極化基本不變，裂紋擴(kuò)展速度加快。

d 實驗觀察到的裂紋擴(kuò)展速度比以前實驗報道的速度快的多，并且裂紋除了從裂紋尖端沿裂紋中面擴(kuò)展外，在其他地方也會出現(xiàn)裂紋并沿水平方向向倆邊擴(kuò)展。