表征鐵電陶瓷的機電耦合行為——華測儀器系統的應用實踐

　　一、為何需要對功能陶瓷進行電致應變回線測試？
 

　　傳統結構陶瓷(如氧化鋁、氮化硅)主要用于承載或隔熱，通常不具備顯著的電-力耦合效應。然而，功能陶瓷——特別是鐵電/壓電陶瓷(如鋯鈦酸鉛 PZT、鈦酸鋇 BaTiO? 等)——在外部電場作用下可產生可逆的微小形變(即應變)，這一特性構成了其在現代智能器件中廣泛應用的基礎，包括：驅動器，傳感器與執行器。
 

　　為了科學評估這類材料在電場激勵下的形變能力、響應線性度、滯后行為及可重復性，需開展系統的電場-應變響應測試，其輸出即為電致應變回線(Electrostrain Hysteresis Loop)。該回線不僅反映材料的驅動性能，還蘊含豐富的微觀機制信息。
 

　　二、電致應變回線的定義與物理意義
 

　　1. 什么是電致應變回線？
 

　　電致應變回線是指應變(S)隨外加電場(E)周期性變化所形成的閉合曲線。典型特征包括：
 

　　在正、負電場區域均出現應變峰值；
 

　　整體呈現對稱或非對稱的雙峰狀回線結構；
 

　　回線出現“縮頸”(pinching)現象，尤其在弛豫鐵電體中更為明顯。
 

　　該回線直觀揭示了材料在交變電場下的機電響應全過程，是評估其作為驅動或傳感材料適用性的關鍵依據。
 

　　2. 物理機制解析
 

　　電致應變主要來源于兩類物理效應：
 

　　逆壓電效應(Converse Piezoelectric Effect)：
 

　　存在于已極化的鐵電陶瓷中。電場引起晶格畸變，產生近似線性應變，具有方向依賴性。正負電場下應變符號相反。
 

　　電致伸縮效應(Electrostriction)：
 

　　普遍存在于所有介電材料，在弛豫鐵電體中尤為突出。應變與電場平方成正比，無極性依賴，正負電場均產生同向應變。
 

　　因此：
 

　　未極化或弛豫型陶瓷(如PMN-PT)：以電致伸縮為主，回線高度對稱；
 

　　充分極化的壓電陶瓷(如PZT)：逆壓電效應疊加電致伸縮，回線常呈非對稱形態。
 

　　三、測試方法
 

　　1. 測試系統組成
 

　　一套完整的電致應變回線測試系統包括以下模塊：
 

　　高壓信號源：電壓可達數千伏的交變電場(常用正弦波或三角波)；
 

　　位移/應變傳感器：
 

　　激光測振儀——非接觸、納米級分辨率；
 

　　電場監測單元：通過高壓探頭測量施加電壓，并結合樣品厚度 ( d ) 計算電場強度 ( E = V/d )；
 

　　同步數據采集系統：實時記錄電場與應變信號，生成 S-E 回線。
 

　　2. 樣品制備要求
 

　　幾何形狀：通常為圓片，以確保電場均勻并降低擊穿風險；
 

　　電極制備：兩面需制備導電電極，常用方法包括銀漿燒滲、磁控濺射金或鉑；
 

　　極化處理：若需研究逆壓電效應，樣品須在高溫下施加高直流電場進行極化，并靜置老化24小時以上以穩定性能。
 

　　四、電致應變回線的關鍵參數
 

　　應變：材料在給定電場下所能達到的形變量，直接決定驅動位移能力；
 

　　殘余應變：電場歸零后殘留的應變，反映不可逆變形或疇壁釘扎程度；
 

　　回線對稱性 ：對稱 → 以電致伸縮為主；非對稱 → 含顯著逆壓電貢獻；
 

　　縮頸(Pinching)程度： 縮頸越明顯，表明極化翻轉受阻，常見于弛豫鐵電體或多相共存體系；
 

　　回線面積：表征損耗與滯后大小，面積越大，控制精度越低。
 

　　五、應用與意義
 

　　電致應變回線測試在科研與工程領域：
 

　　材料研發與篩選：快速比較不同組分的驅動性能；
 

　　器件建模與設計：為驅動器、微位移平臺等提供輸入(電場)-輸出(應變)關系模型；
 

　　微觀機理研究：通過回線演化分析鐵電疇翻轉動力學、相變行為等；
 

　　可靠性評估：在百萬次電場循環后，觀察回線退化 ，預測器件壽命。
 

　　電致應變回線測試作為表征鐵電/壓電陶瓷機電耦合性能的核心手段，不僅揭示了材料在外場作用下的宏觀響應，更連接了微觀結構與宏觀功能。
 

　　華測儀器的鐵電測試系統，已具備高電壓驅動、納米級位移檢測與多參數同步分析能力，可完成電致應變回線的全周期測量，為功能陶瓷從實驗室走向產業化提供堅實支撐。