3878 中厚煤層采煤機(jī)截割部設(shè)計(jì)1,煤層,采煤,機(jī)截割部,設(shè)計(jì) 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文1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)械性能的河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文2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)，k 33，壓電常數(shù)，d 33，。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，k 33 可以 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文3通過(guò)下列公式??33= 1?? ?????????????+??其中 a，b 系數(shù)取決于振動(dòng)模式。另一方面，壓電常數(shù)，d 33，可以被描述為：??33=??33??33????33其中 ε 33 和 cε 33 介電常數(shù)和彈性系數(shù)，分別評(píng)估由下列公式：??33=????????????33=(2??????)2??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)的材料特性河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文4圖 2 顯示了壓電常數(shù)（d 33）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，d 33 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)（k 33）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，k 33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。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文54.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。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文6（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（裂紋和晶粒滑動(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。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文7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。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文8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)，河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文9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）。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文10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)（k 33）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)屬性和壓應(yīng)力。結(jié)果顯示在圖 10。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文11可以看出，k 33 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。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文12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）。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文13河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文14圖 12 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明雙方的彎曲模量的變化（E b）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)?Eb 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，k 33 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，E b 為 100 兆帕的樣本線性變化的周期數(shù)增加。有趣的是，E b 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，k 33 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。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文154.3 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。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文16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)（k 31）在這一點(diǎn)的電擊。可以看出，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)。河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文17我們從這個(gè)結(jié)果推斷，圖 10，k 31 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，d 33 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)為河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文18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。