中厚煤層采煤機(jī)截割部設(shè)計(jì),中厚煤層采煤機(jī)截割部設(shè)計(jì),煤層,采煤,機(jī)截割部,設(shè)計(jì) 國(guó)際疲勞雜志 鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的破壞特性循環(huán)載荷 文章信息 文章歷史：2009年1月1日起 2009年3月31日在修訂 2009年4月1日起 2009年4月10日可在線 抽象的 損傷特性的壓電陶瓷材料的性能是受循環(huán)載荷的影響的，正在研究的材料是鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）。其電氣性能，如機(jī)電耦合系數(shù)K33，在循環(huán)載荷作用下會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)在高壓或低壓下，其數(shù)值緩慢下降或者不改變，K33系數(shù)迅速下降到一個(gè)較低的水平，作為樣品循環(huán)加載，其具有很高的應(yīng)用壓力。這種材料的降解的變化是影響材料的重要因素，它與壓電材料的損壞是息息相關(guān)的，PZT陶瓷的破壞特性的詳細(xì)討論目前仍在進(jìn)行。 1.介紹 壓電陶瓷材料的意義是轉(zhuǎn)移出現(xiàn)跨兩個(gè)陶瓷的形狀陶瓷表面受高交變應(yīng)力引起的電壓差，這些陶瓷已動(dòng)用各種工程應(yīng)用通過(guò)使用這種獨(dú)特的材料特性，包括存儲(chǔ)設(shè)備，精密定位，電氣機(jī)械CAL驅(qū)動(dòng)器，電源傳感器和振動(dòng)傳感器。為了使PZT陶瓷能使用更長(zhǎng)時(shí)間，有必要了解材料的應(yīng)用。如果過(guò)負(fù)載應(yīng)用，由于陶瓷材料的損傷，陶瓷的壓電性能的工作效率可能發(fā)生改變。在報(bào)告中，PZT的損壞有幾種可能，如裂紋，晶粒滑動(dòng)和極性化。材料產(chǎn)生損壞時(shí)，壓電陶瓷的多孔地區(qū)會(huì)產(chǎn)生裂紋。如果是發(fā)生在樣品中的缺陷而導(dǎo)致的電域方向的變化，則壓電陶瓷的損壞也可以檢測(cè)到。能發(fā)生域切換高壓所加的壓力以及由此產(chǎn)生的彈性應(yīng)變，因?yàn)閴弘娞沾刹牧系男阅芸梢园l(fā)生改變，例如，壓電常數(shù)交換域。近日，Shindoet al在研究壓電陶瓷的破壞特性數(shù)值模擬和理論。它似乎在裂紋尖端附近有影響，如應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂力學(xué)參數(shù)和能量釋放率。此外，這些參數(shù)可以改變裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度。 從上述文獻(xiàn)可以看出，似乎有幾種PZT陶瓷的破壞特性可以改變材料的屬性。然而，在材料的性能特點(diǎn)里如何誘導(dǎo)損傷的原因還沒(méi)有得到答案。原因之一是揭示在壓電陶瓷家在過(guò)程中的缺陷的技術(shù)難度大。關(guān)于壓電損傷特征的信息是必須要了解的材料特性。本文的主要目的是探討在家在過(guò)程中的電氣和機(jī)械性能的物質(zhì)損失的影響。此外，試圖直接通過(guò)獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)揭示壓電陶瓷的損傷特征。 2.材料和試驗(yàn)程序 2.1樣品制備 目前工作選擇的材料是一個(gè)商業(yè)散裝鉛鋯鈦氧化物陶瓷（壓電陶瓷），該材料在日本被Fuji Ceramics Co發(fā)明。該陶瓷的晶粒尺寸是5微米。電極樣本表面被鍍上10微米的銀按以下流程：銀色金屬與玻璃熔塊粉涂的壓電表面，然后將涂層金屬在973K空氣里加熱幾個(gè)小時(shí)，電極附著后，樣本兩者之間電鍍極化。在目前的工作狀態(tài)下，兩種樣本的標(biāo)本如圖1所示：（a）圓棒；（b）長(zhǎng)條。所有的標(biāo)本取自同樣的尺寸，圓棒的抗壓強(qiáng)度約是750兆帕，矩形棒的彎曲強(qiáng)度約為80兆帕。 2.2疲勞和彎曲試驗(yàn) 在10千牛容量的螺桿驅(qū)動(dòng)型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行低周疲勞和彎曲試驗(yàn)，用圓棒試樣壓縮疲勞R比0.05和0.05赫茲的頻率進(jìn)行測(cè)試。在此基礎(chǔ)上確定最大的循環(huán)載荷Rmax被設(shè)計(jì)為不少于67%的抗壓強(qiáng)度。用三點(diǎn)彎曲試樣，彎曲試驗(yàn)在高溫下用1mm/min的加載速度進(jìn)行。受聘為具有精度優(yōu)于0.1 K馬弗爐高溫彎曲試驗(yàn)。該爐的設(shè)計(jì)最初被安裝到測(cè)試機(jī)。在所有期間測(cè)試的實(shí)際溫度控制的標(biāo)本。壓電陶瓷電氣屬性和循環(huán)荷載研究，例如，電力學(xué)耦合系數(shù)，k33，壓電常數(shù)，d33，。在這種方法中，發(fā)生反共振頻率，共振頻率fr和靜電容量CT的測(cè)量過(guò)程中提前使用阻抗分析儀測(cè)試。在這種測(cè)量中，參數(shù)研究作為應(yīng)用的負(fù)載被刪除零與fa和fr值，k33可以 通過(guò)下列公式 K33=1αfrfα-fr+b 其中a，b系數(shù)取決于振動(dòng)模式。另一方面，壓電常數(shù)，d33，可以被描述為： d33=K33ε33c33E 其中ε33和cε33介電常數(shù)和彈性系數(shù)，分別評(píng)估由下列公式??： ε33=cTtA C33E=(2lfr)2ρ 其中t是兩個(gè)電極之間的距離，A為面積電極。 L和Q代表的圓桿的長(zhǎng)度和 PZT的密度分別。上述CAL的方法詳情計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)。 3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果 3.1在疲勞試驗(yàn)的材料特性 圖2顯示了壓電常數(shù)（d33）作為一個(gè)函數(shù)的變化圓棒試樣的循環(huán)次數(shù)在各種壓縮載荷循環(huán)（RMAX50-500 MPA）的加載。應(yīng)當(dāng)指出，首先，所說(shuō)中的數(shù)字表示最大外加應(yīng)力（RMAX）和骨折循環(huán)次數(shù)（NF）。RMAX50兆帕和100兆帕的樣品循環(huán)約50,000次循環(huán)荷載就停了下來(lái)，這些樣本沒(méi)有完全斷裂。高值的循環(huán)過(guò)程中取得的樣品d33（3×10-10）加載了RMAX50兆帕的壓力，而低值d33小于1.3×10-10 M / V，施加壓力在RMAX200兆帕以上。相比之下，d33值隨著循環(huán)次數(shù)在100兆帕樣品間歇性降低，其值平息后，發(fā)現(xiàn)測(cè)試樣品20個(gè)周期后到類似的水平，為超過(guò)RMAX 200兆帕。為了進(jìn)一步測(cè)試調(diào)查期間疲勞的電性能的變化，機(jī)電耦合系數(shù)（k33）與周期被調(diào)查期間的樣品在RMAX50兆帕，100兆帕和200兆帕循環(huán)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。 2，高值和低值k33系數(shù)為50兆帕和200兆帕樣品分別獲得。此外，k33值隨著周期數(shù)量為100兆帕的樣本增加。這個(gè)結(jié)果被說(shuō)服證據(jù)表明，被改變的壓電陶瓷材料的性能由負(fù)載條件。物質(zhì)屬性的變化在這種情況下，樣品中的物質(zhì)可能會(huì)受到在循環(huán)載荷的損失。為了澄清這一點(diǎn)，直接觀察樣品。圖4顯示試樣的SEM圖像 RMAX450兆帕周期前后表面（圓桿）。注意，這兩個(gè)圖片來(lái)自同一位置。從圖4(b），樣品表面觀察的損壞（或折疊）。從這一結(jié)果被認(rèn)為是該材料在壓電陶瓷的損害發(fā)生的疲勞試驗(yàn)期間，這可能會(huì)影響電氣性能。 4.討論 4.1電氣性能與物質(zhì)損失 要研究的物質(zhì)損失和材料降解之間的關(guān)系圖2和3，進(jìn)一步的測(cè)試集開(kāi)展。有幾個(gè)損壞的特點(diǎn)，在PZT包括裂紋（糧食滑）和域切換[5,7]。有人企圖審查的電性能標(biāo)本后接受人工裂紋損傷。而不是裂紋，加工機(jī)縫創(chuàng)建于圓棒試樣一個(gè)薄薄的鉆石切割鋸，例如，0.35毫米厚。圖5示意圖顯示了人工樣本損壞。 （案例一）創(chuàng)建兩種類型的機(jī)縫; （案例二）邊緣樣品和標(biāo)本。同樣大小的幾個(gè)縫加工樣品中，用步驟1-6表示。在步驟7和8，電極被刪除文件只是周圍的區(qū)域除外電線連接到樣品表面。對(duì)其他另一方面，加工機(jī)縫被每一步更深的案例二。應(yīng)當(dāng)指出，實(shí)際材料相比損傷（裂紋和晶?；瑒?dòng)），機(jī)器的大小縫是更大的。然而，已被用來(lái)加工機(jī)縫故意誘發(fā)更大程度的損壞，為了研究隨之而來(lái)的行為對(duì)試樣的電氣性能與加工縫進(jìn)行了檢查。圖6a和b顯示了機(jī)電耦合系數(shù)k33，分別測(cè)量每個(gè)步驟I和II。 看到，即使加工狹縫的數(shù)量增加k33值沒(méi)有改變。另一方面，有輕微的減少K33系數(shù)可以看出，加工縫深化在案例二中，雖然k33減少率是小于圖3獲得的。這一結(jié)果可能表明，物質(zhì)損失，如裂紋和晶?；瑒?dòng)，不影響壓電陶瓷的電氣性能響應(yīng)發(fā)揮重要作用（圖2和3）。 4.2在加載過(guò)程中的損傷特點(diǎn) 要了解電氣性能下降的原因在2和3所示。使用一臺(tái)攝像機(jī)觀察標(biāo)本在靜態(tài)抗壓試驗(yàn)材料的骨折。從圖發(fā)現(xiàn)，在壓電陶瓷的電活動(dòng)中，發(fā)生多次閃電般的現(xiàn)象，并組成一個(gè)明亮咔嚓聲與閃光。 試樣的代表性圖片。 7.（a）在加載，（b）電擊及（c）骨折。在裝載過(guò)程中獲得的顯示圖的強(qiáng)度可以識(shí)別單擊加載過(guò)程中發(fā)生的聲音波圖。正如圖8。 8(a)， 電擊檢測(cè)八次，在這種情況下，最終斷裂。電擊放大波聲音指示圖8(b)，進(jìn)一步表明在壓應(yīng)力與位移關(guān)系（圖9）。 可以看出，大量的的電化學(xué)事件在加載過(guò)程的開(kāi)始，特別是低于200兆帕，由于閃電的觀測(cè)的現(xiàn)象，它可能會(huì)產(chǎn)生電荷，歸結(jié)為在壓電陶瓷一個(gè)失?。ɑ驌p壞）的一部分。 為了研究壓電陶瓷材料在閃電現(xiàn)象的影響， 圖9與機(jī)電耦合系數(shù)（k33）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)屬性和壓應(yīng)力。結(jié)果顯示在圖10。 可以看出，k33系數(shù)降低非線性施加的壓力增加，其值穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載超過(guò)200兆帕。由于許多數(shù)據(jù)點(diǎn)在低于200兆帕的地區(qū)繪制的，它可能會(huì)建議壓電陶瓷與材料降解。此外，由于材料降解，電成因可能是由于域發(fā)生在壓電陶瓷開(kāi)關(guān)[2,10]。為了清楚驗(yàn)證這一點(diǎn)，用另一個(gè)方法進(jìn)行。在以往的研究中，據(jù)報(bào)道切換域，韌性可以發(fā)揮突出作用，其中壓電陶瓷材料的疲勞性能與極化的壓電陶瓷相比具有較高的疲勞強(qiáng)度。這是由于晶格的變化結(jié)構(gòu)或向異性效應(yīng)[7,11]。在以前報(bào)告的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一項(xiàng)研究，檢查循環(huán)荷載的變化硬度。循環(huán)荷載進(jìn)行了約60兆帕斯卡的最大應(yīng)力。 獲得的數(shù)據(jù)圖11顯示可以看出，硬度隨著周期數(shù)的水平明顯提高。因此，得到的結(jié)果在循環(huán)荷載方向上顯示域會(huì)發(fā)生變化。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，其中力學(xué)性能研究作為一個(gè)循環(huán)加載的功能; 比較壓電陶瓷電氣性能（圖3）。 圖12實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明雙方的彎曲模量的變化（Eb）和k33系數(shù)作為一個(gè)樣品的周期數(shù)功能測(cè)試在P最大50兆帕，100兆帕和200兆帕。應(yīng)該是指出：第一，彎曲模量在圖12獲得從壓應(yīng)力測(cè)定上的反射曲線。在這種情況下，彎曲模量被用來(lái)作為一個(gè)參數(shù)評(píng)估，因?yàn)镋b模量是非常敏感的材料損害。 圖3獲得k33系數(shù)表示作為其負(fù)面功能，k33為比較容易的Eb模。至于圖12，觀察不同的電子束的變化趨勢(shì)。彎曲模量高，分別Eb模200兆帕樣品，低的水平在50兆帕和200兆帕，13.5千牛頓/毫米，比50兆帕樣本兩倍左右高。另一方面，Eb為100兆帕的樣本線性變化的周期數(shù)增加。有趣的是，Eb的變化對(duì)所有樣品k33系數(shù)非常相似圖12a-c。k33 與Eb之間的關(guān)系從圖13進(jìn)一步可以看出，k33彎曲模量呈線性關(guān)系系數(shù)R2= 0.93。我們從這些結(jié)果得出結(jié)論，機(jī)械在循環(huán)荷載的優(yōu)勢(shì)與電氣性能直接相關(guān)，其性能的變化可以影響極化切換。 4.3在加熱過(guò)程中的損傷特點(diǎn) 提供材料的上述研究結(jié)果進(jìn)一步支持材料降解的損害，實(shí)質(zhì)損害的影響，閃電現(xiàn)象，即在加熱過(guò)程中進(jìn)行了檢查矩形壓電陶瓷。這種方法被執(zhí)行死刑因?yàn)闇囟扔绊憠弘姴牧系臋C(jī)電響應(yīng)。在這種情況下，電器及在高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究 從293度以上的居里溫度573 K.實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖9，發(fā)生的電擊樣品加熱到600 K圖14在加熱過(guò)程中觀察展品的電擊事件，并顯示產(chǎn)電現(xiàn)象，主要是觀察高溫度區(qū)域。 數(shù)據(jù)就在居里溫度進(jìn)一步分析。圖15樣品溫度與機(jī)電耦合系數(shù)（k31）在這一點(diǎn)的電擊?？梢钥闯?，當(dāng)許多產(chǎn)電事件發(fā)生時(shí)，k31值下降樣品溫度迅速增加，特別是超過(guò)450 K時(shí)。 我們從這個(gè)結(jié)果推斷，圖10，k31系數(shù)降低影響物質(zhì)損失。為了證實(shí)這一點(diǎn)的變化彎曲模量和樣品溫度的功能進(jìn)行了檢查。 圖16給出的結(jié)果。在這種情況下，彎曲模量包含彎曲載荷與撓度。彎曲模量隨樣品溫度的增加，特別超過(guò)450 K時(shí)，其中電擊發(fā)生。因此，得出樣品的彎曲模量增加是由材料特性決定的，例如，極化切換的變化。 5.結(jié)論 在循環(huán)過(guò)程中的壓電陶瓷的損傷特征研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以下可得出結(jié)論：1.壓電常數(shù)d33從循環(huán)荷載測(cè)量獲得，當(dāng)樣品加載低循環(huán)應(yīng)力（RMAX50兆帕）具有很高的值約2.110 M / V。當(dāng)樣品裝入超過(guò)RMAX 200兆帕?xí)r具有較低的值約小于710 10 M / V。另一方面，樣品裝入循環(huán)RMAX100兆帕，d33隨周期數(shù)減少。與此相反，壓電陶瓷的硬度增加，循環(huán)次數(shù)增加。電氣的變化和力學(xué)性能歸因于不同的材料的性能。2.壓電陶瓷的電性能，例如，機(jī)電耦合系數(shù)，在我們的人工缺陷測(cè)試都沒(méi)有顯著影響微觀缺陷，如裂紋和晶?；瑒?dòng)。由于機(jī)械強(qiáng)度循環(huán)次數(shù)增加，域名增加結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響材料的性能。在壓電陶瓷加載和加熱過(guò)程期間發(fā)生多次產(chǎn)電現(xiàn)象，在明亮的閃光點(diǎn)擊噪聲檢測(cè)這種現(xiàn)象可能是歸結(jié)為在壓電陶瓷開(kāi)關(guān)領(lǐng)域。 致謝 作者希望感謝RION有限公司的先生，武雄Tukanome的技術(shù)支持，提供聲波數(shù)據(jù)。 “作者還想表示贊賞教授S.高根K.在秋田縣立大學(xué)的渡邊教授。提供有用意見(jiàn)的作者之一（M.O.）和（青年科學(xué)家（二）19760071，2007年）和本所尤里工業(yè)科學(xué)和技術(shù)的支持。 18