GB T 3389-2008 压电陶瓷材料性能测试方法 性能参数的测试.pdf
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1、ICS 31_030L 90 囝亘中华人民共和国国家标准GBT 3389-2008代替GBT 338921999,GBT 33893_2001,GBT 338941982,GBT 338951995,GBT 338961997,GBT 338971986,GBT 338981986压电陶瓷材料性能测试方法性能参数的测试Test methods for the properties of piezoelectric ceramics-Test for the performance parameter2008-08-04发布 2009-0201实施中华人民共香国国塞质量监督检验检疫总局岩右中国国
2、家标准化管理委员会及111目 次GBT 3389-2008前言1范围12规范性引用文件13术语、定义和符号14测试条件141测试的大气条件142仲裁测试的大气条件一15性能测试151 居里温度一152纵向压电应变常数(静态)-253强场介电性能454热释电系数655柱体纵向长度伸缩振动模式756 圆片厚度伸缩振动模式1057长方片厚度切变振动模式1258特征频率和动态电阻的传输线路法测试14附录A(规范性附录),p与。对应数值15附录B(规范性附录)泛音比。,s。与k。、k,。的关系19附录C(规范性附录)f。f与k。、s的关系32附录D(规范性附录)特征频率和动态电阻的传输线路法测试34刖
3、昌GBT 3389-2008本标准是对GBT 338921999压电陶瓷材料性能测试方法纵向压电应变常数d。的静态测试、GBT 338932001压电陶瓷材料性能测试方法 居里温度Tc的测试、GBT 338941982压电陶瓷材料性能测试方法柱体纵向长度伸缩振动模式、GBT 33895 1995压电陶瓷材料性能测试方法圆片厚度伸缩振动模式、GBT 33896 1997压电陶瓷材料性能测试方法 长方片厚度切变振动模式、GBT 338971986压电陶瓷材料性能测试方法 强场介电性能的测试和GBT 338981986压电陶瓷材料性能测试方法热释电系数的测试的整合修订。本标准自实施之日起,代替GBT
4、 33892 1999、GBT 338932001、GBT 338941982、GBT 33895 1995、GBT 338961997。GBT 33897 1986和GBT 338981986。本标准与GBT 33892 1999、GBT 338932001、GBT 33894 1982、GBT 33895 1995、GBT 338961997、GBT 33897 1986和GBT 338981986相比,主要有下列变化:修订了相关符号;修改了测试条件;确定了试样极化后的存放时间;增加了强场介电性能测试步骤中的“保持电压1 rain及每次测量后电压应降到0 V,并保持2 min后再继续测量”
5、的内容;增加了柱体纵向和圆片厚度伸缩振动模式的“电桥法”测试方法;统一了柱体纵向、圆片厚度和长方片厚度切变振动模式的传输线路法测试方法,并将其规定列为附录D;统一了柱体纵向、圆片厚度和长方片厚度切变振动模式的测试信号要求。本标准附录A、附录B、附录C和附录D均为规范性附录。本标准由中国船舶工业集团公司提出。本标准由全国海洋船标准化技术委员会船用材料应用工艺分技术委员会归口。本标准起草单位:中国船舶工业集团公司国营第七二一厂、中国船舶重工集团公司第七一五研究所。本标准主要起草人:朱斌、张晖、张丽英、俞锁龙。本标准所代替标准的历次版本发布情况为:GBT 338921982、GBT 33892199
6、9;GBT 338931982、GBT 33893 2001;GBT 338941982;GBT 33895 1982、GBT 338951995;GBT 338961982、GBT 338961997;GBT 338971986;GBT 338981986压电陶瓷材料性能测试方法性能参数的测试GBT 3389-20081范围本标准规定了压电陶瓷材料性能的测试条件、测试方法和振动模式下的测试方法。本标准适用于压电陶瓷材料居里温度、纵向压电应变常数(静态)、强场介电性能、热释电系数的参数测试,压电陶瓷材料柱体纵向长度伸缩、圆片厚度伸缩和长方片厚度切变振动模式下的参数测试。2规范性引用文件下列文件
7、中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注El期的引用文件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准,然而,鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准。GBT 2413压电陶瓷材料体积密度测量方法GBT 24141压电陶瓷材料性能试验方法 圆片径向伸缩振动模式GBT 33891铁电压电陶瓷词汇CBT 1218 1993水声常用压电陶瓷元件3术语、定义和符号GBT 33891中确立的术语、定义和符号适用于本标准。4测试条件41测试的大气条件测试的大气条件如下:a)温度:1535;b)相对湿度:2575
8、;c)大气压力:86 kPa 106 kPa。42仲裁测试的大气条件仲裁测试的大气条件如下:a)温度:25土2;b)相对湿度:4555;c)大气压力:86 kPa106 kPa。5性能测试51居里温度511测试原理当温度高于居里温度(To)时,压电陶瓷处于顺电相,自发极化和压电性也随之而消失。在居里温度处,压电陶瓷材料的许多物理性质,如电容率、热容量、线膨胀系数都将发生突变,因此,只要测定这种突变点对应的温度就能确定压电陶瓷材料的居里温度。本标准采用测试试样电容率突变点来确定压电陶瓷材料的居里温度,并推荐采用阻抗分析仪来测量这个突变点。1GBT 3389-2008512试样5121试样为带有电
9、极的未极化薄片。推荐尺寸20 mm1 mm,尺寸公差应符合CBT 12181993表5中3级的要求。5122试样应保持清洁、干燥。513测试装置及设备5131测试装置居里温度测试装置见图1。1记录仪;2阻抗分析仪;3电炉;4试样;5热电偶;6冰点。图1居里温度测试装置5132测试设备居里温度测试设备及要求如下:a)记录仪测量最大允许误差为士1;b) 阻抗分析仪测量最大允许误差为土l;c) 电炉炉膛内温度误差为土2;d)热电偶分度号为k,等级为I。514测试居里温度测试步骤如下:a)将试样置于炉膛内,热电偶测量端距试样表面为1 mm2 mm。b)按图1测试装置接线,调节阻抗分析仪的频率至一定值,
10、而后维持其频率不变;电炉以速率为3Cmin4min升温(或降温),居里温度附近其速率为1min2min。c)在记录仪上读出电容或电纳随温度变化曲线的峰值,此峰值对应的温度即为该试样的居里温度。若曲线上出现一个以上的峰值,它们对应的温度均为相变温度,最高的相变温度为居里温度。52纵向压电应变常数(静态)521测试原理在没有外电场的作用,满足电学短路条件,试样沿极化方向受力时,其电位移分量按公式(1)计算。D33一d33T3 (1)式中:Daa电位移分量的数值,单位为库仑每平方米(Cm2);2GBT 3389-2008d。纵向压电应变常数的数值,单位为库仑每牛顿或米每伏特(CN或mV);T3纵向应
11、力的数值,单位为牛顿每平方米(Nm2)。当试样受力面积与释放电荷面积相等,并且接在试样上的电容远大于试样的自由电容时,公式(1)可写成公式(2)形式。如一鲁一孚,3 ,3式中:Q3试样释放压力后所产生的电荷量的数值,单位为库仑(c);F3试样在测量时所受的力的数值,单位为牛顿(N);c并联电容的数值,单位为法拉(F);V静电计所测得的电压的数值,单位为伏特(V)。522试样5221推荐尺寸zo mm5 mm420 mm10 mm。试样表面应平整,两个主平面的平行度应不大于厚度公差的一半,尺寸公差应符合cBT 1218 1993表5中3级的要求。5222试样应保持清洁、干燥。试样的两个主平面上应
12、全部涂覆金属电极层,沿厚度方向进行极化处理,极化后存放时间应不小于72 h,并在41的环境条件下置放2 h后进行测试。523测试装置及设备5231测试装置纵向压电应变常数测试装置见图2。阁凯辈 o 麒j 工:1静电计;2、6加压装置的绝缘座;3、5加压装置的上下引出电极;4试样;c并联电容器;Fa施加于试样的力;K短路开关。图2纵向压电应变常数测试装置5232测试设备纵向压电应变常数测试设备及要求如下:a)整个检测系统的绝缘电阻大于11010 n,并保持良好的接地;b) 静电计的灵敏度应不低于01 mV,输入阻抗大于110”n,测量最大允许误差为士5C)并联电容器的电容量大于试样自由电容100
13、倍以上;d)加压装置应有缓冲功能,以保证加压时对试样仅有静压力而无冲击力,并能在1 S之内迅速卸3FGBT 3389-2008压;施加的压力应垂直于试样表面,卸压时试样不受振动且无侧向移动,引出电极的大小应覆盖试样金属电极面,压力误差应不大于I。524测试纵向压电应变常数测试步骤如下:a)将试样放人图2所示加压装置的上下引出电极的中心位置;b)合上短路开关K;c) 缓慢加压,施加于试样上的应力为1105 Nm2110”Nmz:d)校准静电计的零点;e) 断开短路开关,在1 s之内迅速释放施加于试样上的压力;f)记下静电计上电压的稳定读数;g) 根据测得的电压和施加于试样上的压力及并接在试样上的
14、电容,按公式(2)计算纵向压电应变常数。53强场介电性能53I测试原理压电陶瓷材料的自由相对电容率和介电损耗角正切值与温度、湿度、交变电场的频率、场强和施加电压时间有关,本标准所指的强场介电性能即是在强交变电场作用下的介电性能,一般指自由相对电容率和介电损耗角正切值。本标准采用图3所示的I kHz高压西林电桥测强场介电性能。c十进制可变电容箱;o标准电容器;cx试样的电容;G零值指示器;Rs、R高频十进制可变电阻箱;u1 kHz高压信号源。图3 1 kHz高压西林电桥电路图当图3的电桥达到平衡时,公式(3)成立:Cx一警(币1丽)又根据定义:tan8=C。R。GBT 3389-2008式中:G
15、电容箱电容的数值,单位为法拉(F);cx试样电容的数值,单位为法拉(F);cw标准电容器电容的数值,单位为法拉(F);R。、R。电阻箱电阻的数值,单位为欧姆(0);tana试样的介电损耗角正切值的数值;m角频率的数值,单位为弧度每秒(rads)。当tan诞01时,公式(3)可用公式(5)代替。pCxCN(5)、为了便于直接读出介电损耗角正切值,因为一2“1 000 rads,取R。一1 000(2)1592 0,则得到公式(6)、公式(7)。cxcw警ta艚一C。106根据公式(6)可得到公式(8)。e:一cx去一cw丽1592t式中:e,T,一一自由相对电容率的数值;”(6)”(7)e。真空
16、电容率的数值885lO-12,单位为法拉每米(Fm);f试样厚度的数值,单位为米(m);A试样的电极面积的数值,单位为平方米(m2)。532试样5321推荐试样尺寸20 ramfif。;b)(,n一,)(,p)(一,r)。当压电试样的优值M较大时(M20),在一级近似下得到下列关系式:,m一,s一,r;,n一一。则可用代替,r和,l,用,n代替,I和,p,由此得到,一,n一,再由表1和附录A,计算出试样的机电耦合系数(女。)以及其他参数值。但当压电试样的优值较小时,不应直接用(一,m)来代替(,p一,I),应用近似公式(12)和公式(13)进行修正。,一,Af一,p一,4如i2詈而 (12)1
17、。M21 1M一丽14瓦赢眨“13式中:M压电试样优值;虬串联谐振时的角频率的数值,单位为弧度每秒(rads);c0压电试样简化等效电路的并联电容的数值,单位为法拉(F);R。压电试样简化等效电路的动态电阻的数值,单位为欧姆(n);z。压电试样的最小阻抗的数值,单位为欧姆(ED。若M 2(一)100,则利用近似公式(12)、公式(13)得到(,p一)的相对误差应小于1。552试样5521圆柱:长度()与直径(d)之比zd25,圆度应不大于直径公差的一半,平行度应不大于长度的公差,尺寸公差应符合CBT 1218 1993表5中3级的要求。推荐尺寸6 mmXl5 mm。5522方柱:长度(z)与宽
18、度(6)之比Zb3。直线度应不大于长度的公差,平行度应不大于宽度的公差,尺寸公差应符合CBT 1218 1993表5中3级的要求。推荐尺寸6 mm6 mmX20 mm。5523试样应保持清洁、干燥。试样的两端面上应全部涂覆金属电极层,沿长度方向进行极化处理,极化后存放时间应不小于72 h,并在41的环境条件下置放2 h后进行测试。553电桥法测试装置及设备5531测试装置电桥法测试装置见图8。电桥 试样一图8电桥法测试装置图5532测试信号测试信号应符合下列要求:a)测电容和介电损耗角正切时,电场强度应不大于5 Vmm,频率1 kHz;b) 测谐振频率和动态电阻时,电场强度应不大于30 mVm
19、m。5533测试设备电容的测量最大允许误差为05,介电损耗角正切的测量最大允许误差为(10读数+1X10“),频率准确度优于110一,阻抗分辨率优于005 0。5534试样夹具试样夹具应稳固地支持住试样,同时应使试样处于相对自由振动状态,并保证夹具与试样电极面的电接触良好。9GBT 3389-2008554电桥法参数测量5541 自由电容(Cr)及介电损耗角正切值(tan6)的测量测量步骤如下:a)调整电桥频率和电场强度使其符合5532的要求,测量夹具的固有电容量;b)将试样置于夹具内,测量其电容量和tan3;C) 在测量结果中应减去夹具的固有电容量方为试样的口。5542串联谐振频率(,I)、
20、并联谐振频率()和动态电阻(R1)的测试测量步骤如下:a)将试样接人电桥试样夹具内见图8,选择参数z(或y),调整试样两电极问的电场强度应符合5532的要求,根据被测试样Q。大小,选择频率范围和频率变化步长,改变电桥频率使试样阻抗最小(或导纳最大),此时得到,m和z。;b)继续增大电桥频率,使试样阻抗最大(或导纳最小),此时得到最大阻抗(或最小导纳)频率;c)在一级近似下有:,。一,m,R,一z。,一。5543体积密度(p)的测量按GBT 2413规定的方法测出试样的P。5544试样尺寸的测量用分度值为001 mm的量具,测量试样的尺寸l、b、d。555电桥法测量结果的计算按554,测出试样的
21、、b、d、cT、,5、R。和P,根据表1中的计算公式及附录A规定,计算柱体纵向长度伸缩振动模式的材料性能参数值。表1 柱体纵向长度伸缩振动模式的材料参数计算公式及单位序号 符号 名 称 计算公式 单 位1 3 纵向长度伸缩振动频率常数 N 3一f。 HzIn2 弘 纵向声速 试一2lf。 ms3 e: 自由相对介电常数 一言一篇4 ” 纵向机电耦合系数 一号凳tanf、三2垒fp15 Q。 机械品质因数 瓯2 2。fR,舌;zz)6 d” 纵向压电应变常数 d”一33(矗eos;)“。 CN或mV7 g” 纵向压电电压常数 “一ii VmN或m2c8 s品 开路弹性柔顺常数 。3一硒嚼m。N9
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- GB 3389 2008 压电 陶瓷材料 性能 测试 方法 性能参数
