冲击载荷作用下PZT-5压电陶瓷的力电特性

雷霆 陈刚 何颖波 李尚昆

雷霆, 陈刚, 何颖波, 李尚昆. 冲击载荷作用下PZT-5压电陶瓷的力电特性[J]. 高压物理学报, 2019, 33(5): 054204. doi: 10.11858/gywlxb.20180708
引用本文: 雷霆, 陈刚, 何颖波, 李尚昆. 冲击载荷作用下PZT-5压电陶瓷的力电特性[J]. 高压物理学报, 2019, 33(5): 054204. doi: 10.11858/gywlxb.20180708
LEI Ting, CHEN Gang, HE Yingbo, LI Shangkun. Dynamic Behavior of PZT-5 Piezoelectric Ceramics under Impact Loading[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2019, 33(5): 054204. doi: 10.11858/gywlxb.20180708
Citation: LEI Ting, CHEN Gang, HE Yingbo, LI Shangkun. Dynamic Behavior of PZT-5 Piezoelectric Ceramics under Impact Loading[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2019, 33(5): 054204. doi: 10.11858/gywlxb.20180708

冲击载荷作用下PZT-5压电陶瓷的力电特性

doi: 10.11858/gywlxb.20180708
基金项目: 国家自然科学基金(11572299)
详细信息
    作者简介:

    雷 霆(1987-),男,硕士,助理研究员,主要从事冲击动力学研究. E-mail: lting80431@163.com

    通讯作者:

    陈 刚(1971-),男,博士,研究员,主要从事冲击动力学研究. E-mail: chengang@caep.cn

  • 中图分类号: O347.4

Dynamic Behavior of PZT-5 Piezoelectric Ceramics under Impact Loading

  • 摘要: 压电陶瓷是压电冲击传感器的核心元件。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术研究PZT-5压电陶瓷在冲击载荷作用下的力电特性,进行了4~14 m/s不同速度的实验。实验中为保证试件与压杆绝缘,采用了对试件影响较小的表面溅射Al2N3的工艺,溅射厚度为1~3 ${{\text{μ}}{\rm{m}}}$。实验结果表明:在冲击加载过程中,PZT-5压电陶瓷的应变变化表现出黏性性质,其产生的电荷与加载过程中试件的应力、应变均相关;当加载速度超过一定值时,加载过程中压电陶瓷可能产生损伤,不同的损伤程度也影响电荷的产生;PZT-5压电陶瓷的力学和电学性能具有明显的率相关性。

     

  • 图  SHPB实验装置示意图

    Figure  1.  Schematic of SHPB experimental setup

    图  典型的SHPB实验测试数据(加载速度:4.5 m/s)

    Figure  2.  Typical SHPB experimental test data (Loading speed: 4.5 m/s)

    图  典型的应力、应变和电荷的时程曲线(加载速度:4.5 m/s)

    Figure  3.  Typical stress-time, strain-time and charge-time curves (Loading speed: 4.5 m/s)

    图  典型的应力-应变曲线

    Figure  4.  Typical stress-strain curve

    图  电荷随加载速度变化曲线

    Figure  5.  Charge vs. loading speed

    图  典型的电荷-应力曲线

    Figure  6.  Typical charge-stress curves

    图  $\beta $随加载速度变化曲线

    Figure  7.  $\beta $ vs. loading speed

    图  d33随加载速度变化曲线

    Figure  8.  Piezoelectric strain constant d33 vs. loading speed

  • [1] 张福学, 王丽坤. 现代压电学(下册) [M]. 北京: 科学出版社, 2001: 337.

    ZHANG F X, WANG L K. Modern piezoelectricity (Volume 3) [M]. Beijing: Science Press, 2001: 337.
    [2] 张智丹, 纪松, 张延松. 冲击载荷下PVDF和PZT压电材料的动态性能研究 [J]. 兵器材料科学与工程, 2008, 31(2): 65–69. doi: 10.3969/j.issn.1004-244X.2008.02.018

    ZHANG Z D, JI S, ZHANG Y S. Research of dynamic behavior of PVDF and PZT piezoelectric materials under shock loading [J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2008, 31(2): 65–69. doi: 10.3969/j.issn.1004-244X.2008.02.018
    [3] HU J, TJIU N. Dependence of electric energy output from a lead zirconate titanate ceramic piezoelectric element on impact conditions [J]. Materials Chemistry and Physics, 2011, 128(1/2): 172–176.
    [4] CHURE M C, WU L, WU K K, et al. Power generation characteristics of PZT piezoelectric ceramics using drop weight impact techniques effect of dimensional size [J]. Ceramics International, 2014, 40(1): 341–345. doi: 10.1016/j.ceramint.2013.06.007
    [5] 龚双. 层合压电结构的瞬态响应和波动特性分析[D]. 长沙: 湖南大学, 2013.

    GONG S. Transient response and characteristic waves of layered piezoelectric structures [D]. Changsha: Hunan University, 2013.
    [6] SHEN Y N, ZHENG Y B. Full transient modelling for piezoelectric actuator with contact-impact [C]//Symposium on Piezoelectricity, Acoustic Waves, and Device Applications, 2014: 98–101.
    [7] 钱霖, 张峰, 徐先洋, 等. 冲击荷载下PZT5电畴翻转研究 [J]. 功能材料与器件学报, 2017, 48(7): 93–97.

    QIAN L, ZHANG F, XU X Y, et al. Researches of PZT5 in domain switching under impact loading [J]. Journal of Functional Materials and Devices, 2017, 48(7): 93–97.
    [8] 董新龙, 周广宇, 祁振林, 等. 冲击压缩下PZT铁电陶瓷本构特性的实验研究[C]//中国力学学会学术大会, 2005: 168.

    DONG X L, ZHOU G Y, QI Z L, et al. Experimental study on constitutive properties of PZT ferroelectric ceramics under impact compression [C]// Academic Conference on Mechanics of China, 2005: 168.
    [9] KHAN A S, PROUD W G. Temperature and strain rate effects on the piezoelectric charge production of PZT 95/5 [C]//AIP Conference Proceedings 1793, 2017: 1–5.
    [10] 王礼立. 应力波基础 [M]. 第2版. 北京: 国防工业出版社, 2005: 53.

    WANG L L. Foundation of stress waves [M].2nd ed. Beijing: National Denfense Industry Press, 2005: 53.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-27
  • 修回日期:  2019-01-10

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