¿I. ¿ por qué es necesario realizar pruebas de retorno de tensión eléctrica en cerámica funcional?

Las cerámicas estructurales tradicionales (como la alúmina y el nitruro de silicio) se utilizan principalmente para transportar o aislar el calor, y generalmente no tienen un efecto de acoplamiento eléctrico - mecánico significativo. Sin embargo, la cerámica funcional - especialmente la cerámica ferroeléctrica / piezoeléctrica (como el titanato de zirconio de plomo pzt, el titanato de Barium batio, etc.) - puede producir pequeñas deformaciones reversibles (es decir, cepas) bajo la acción de campos eléctricos externos, una característica que constituye la base de su amplia aplicación en dispositivos inteligentes modernos, incluidos: sensores ultrasónicos, conductores, sensores y ejecutores.

Para evaluar científicamente la capacidad de deformación, la linealización de la respuesta, el comportamiento de retraso y la repetibilidad de este tipo de materiales bajo la excitación del campo eléctrico, es necesario realizar una prueba sistemática de respuesta del campo eléctrico a la tensión, cuya salida es el circuito de tensión inducida por electricidad. El circuito no solo refleja las propiedades de conducción del material, sino que también contiene una rica información sobre el micromecánico.

2. definición y significado físico de la línea de retorno de la tensión eléctrica

¿1. ¿ qué es el circuito de respuesta eléctrica?

El circuito de tensión eléctrica se refiere a la curva cerrada formada por la tensión (s) con el cambio periódico del campo eléctrico externo (e). Las características típicas incluyen:

Hay picos de tensión en las áreas de campos eléctricos positivos y negativos;

El conjunto presenta una estructura de doble pico simétrica o asimétrica;

El fenómeno del "pinchazo" en la línea de retorno es más obvio, especialmente en los ferroeléctricos relajados.

Este circuito revela intuitivamente todo el proceso de respuesta electromecánica del material bajo un campo eléctrico alterna y es una base clave para evaluar su aplicabilidad como material de conducción o detección.

2. análisis de mecanismos físicos

La CEPA eléctrica proviene principalmente de dos tipos de efectos físicos:

Efecto piezoeléctrico inverso:

Existe en cerámica ferroeléctrica polarizada. El campo eléctrico causa distorsión de la red cristalina, produce una tensión casi lineal y tiene Dependencia de la Dirección. Los símbolos de tensión son opuestos bajo campos eléctricos positivos y negativos.

Efecto electrorestrictivo:

Es común en todos los materiales dieléctrico y es particularmente prominente en los ferroeléctricos relajados. La tensión es proporcional al cuadrado del campo eléctrico, no hay Dependencia polar, y los campos eléctricos positivos y negativos producen tensión en la misma Dirección.

Por lo tanto:

Cerámica despolarizada o relaxada (como PMN - pt): se basa principalmente en la electroelasticidad, con un circuito altamente simétrico;

Cerámica piezoeléctrica totalmente polarizada (como pzt): el efecto piezoeléctrico inverso se superpone a la electroelasticidad, y el bucle a menudo presenta una forma asimétrica.

III. métodos de prueba

1. composición del sistema de pruebas

Un sistema completo de prueba de retorno de tensión eléctrica incluye los siguientes módulos:

Fuente de señal de alta tensión: campo eléctrico alterna con una tensión de hasta miles de voltios (comúnmente ondas sinusoidales o triangulares);

Sensores de desplazamiento / tensión:

Vibrador láser - resolución sin contacto y a nivel nanométrico;

Unidad de monitoreo de campo eléctrico: medir el voltaje aplicado a través de una sonda de alta tensión y calcular la intensidad del campo eléctrico (e = V / d) en combinación con el grosor de la muestra (d);

Sistema de adquisición de datos simultáneos: registrar señales de campo eléctrico y tensión en tiempo real y generar líneas de retorno S - E.

2. requisitos para la preparación de muestras

Geometría: generalmente en forma de disco para garantizar la uniformidad del campo eléctrico y reducir el riesgo de ruptura;

Preparación de electrodos: es necesario preparar electrodos conductores en ambas caras, y los métodos comunes incluyen la quema de pulpa de plata, el chorro de magnetrón de oro o platino;

Tratamiento de polarización: si es necesario estudiar el efecto piezoeléctrico inverso, la muestra debe ser polarizada con un campo eléctrico de corriente continua alto a alta temperatura y envejecer estáticamente durante más de 24 horas para estabilizar el rendimiento.

IV. parámetros clave de la línea de retorno de la CEPA eléctrica

Cepa: la variable de forma que el material puede alcanzar bajo un campo eléctrico dado determina directamente la capacidad de desplazamiento de conducción;

Tensión residual: la tensión residual después de que el campo eléctrico vuelve a cero, lo que refleja la deformación irreversible o el grado de fijación de la pared de dominio;

Simetría de la línea de retorno: simetría → principalmente electroestricción; Asimétrica → con contribuciones piezoeléctricas inversas significativas;

Grado de contracción: cuanto más evidente es la contracción, lo que indica que la inversión de polarización está bloqueada, lo que es común en los sistemas de relajación de ferroeléctricos o coexistencia multifase;

Área de retorno: caracterizar el tamaño de la pérdida y el retraso, cuanto mayor sea el área, menor será la precisión del control.

V. aplicaciones y significado

La prueba de retorno de tensión eléctrica se realiza en el campo de la investigación científica y la ingeniería:

Investigación y desarrollo y selección de materiales: comparación rápida del rendimiento de conducción de diferentes componentes;

Modelado y diseño de dispositivos: proporcionar un modelo de relación de entrada (campo eléctrico) - salida (tensión) para conductores, plataformas de microdesplazamiento, etc.;

Investigación sobre el mecanismo microscópico: análisis de la dinámica de volteo de dominios ferroeléctricos y el comportamiento de Transición de fase a través de la evolución de la línea de retorno;

Evaluación de la fiabilidad: después de millones de ciclos de campo eléctrico, se observa la degradación del circuito y se predice la vida útil del dispositivo.

Como medio central para caracterizar las propiedades de acoplamiento electromecánico de la cerámica ferroeléctrica / piezoeléctrica, la prueba de retorno de tensión eléctrica no solo revela la respuesta macro del material bajo la acción del campo exterior, sino que también conecta la microestructura y la función macro.

El sistema de prueba ferroeléctrica del instrumento de medición de China ya tiene la capacidad de conducción de alta tensión, detección de desplazamiento a nivel nanométrico y análisis simultáneo de múltiples parámetros, que puede completar la medición de todo el ciclo de la línea de retorno de tensión eléctrica y proporcionar un apoyo sólido para la cerámica funcional del laboratorio a la industrialización.