Способ контроля прочности пьезокерамических элементов Советский патент 1985 года по МПК G01N3/08 

с

к

&9

00

f

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при испытании пьезокерамических элементов (ПКЭ) на механическую прочность при растяжении.

Известен способ контроля прочности ПКЭ, включающий приложение к ПКЭ растягивающей нагрузки до его разрушения. Для этого ПКЭ приклеивают к захватам разрывной мавшны и растягивают, измеряя при разрушении усилие, по которому судят о прочности ПКЭ П.

Однако данный способ не позволяет получать напряженное состояние, адекватное напряженному состоянию в режиме эксплуатации ПКЭ, что снижает точность контроля. Кроме того, на точности отражаются перекосы и несоосность при склейке ПКЭ с захватами, погрешности захватов и ПКЭ по геометрии, различные значения модулей упругости и термического расширения захватов, слоя клея и ПКЭ и т.д. Все это приводит к возникновению в испытуемом ПКЭ неоднородного напряженного состояния, при этом эпюра механических напряжений в поперечном сечении ПКЭ имеет экстремумы, величина которых существенно отличается от среднего значения механического напряжения по сечений, что в свою очередь ведет к значительному разбросу и занижению прочностных характеристик.

Цель изобретения - повышение точности контроля путем приближения условий к условиям эксплуатации ПКЭ

Указанная цель достигается тем, что согласно способу контроля прочности ПКЭ, включающему приложение к ПКЭ растягивающей нагрузки до его разрушения, измеряют пьезомодуль dj и модуль Юнга E,j контролируемого ПКЭ, нагрузку создают приложением к электродам ПКЭ электрического поля с вектором, совпадающим по направлению с вектором прляризации ПКЭ, нагружение проводят в диэлектрической среде, исключающей пробой между электродами ПКЭ, измеряют напряженность Е электрического поля в момент разрушения ПКЭ и с учетом измеренных величин судят о прочности ПКЭ.

При этом в качестве диэлектрической среды используют сжатый воздух под давлением (4-8) -10 Па или высокий вакуум.

7378 ,2

При рабочих режимах эксплуатации в ПКЭ возникают механические напря- . жения в результате изменения линейных размеров его частей (доменов и

5 кристаллов сегнетоэлектрика). Именно эти напряжения возникают в случае приложения в ПКЭ электрического поля с вектором, совпадающим по направлению с вектором поляризации

10 ПКЭ, т.е. ПКЭ при контроле испытывает механические напряжения, идентичные рабочим.

Способ осуществляют следующим образом.

15 Для контролируемой партии ПКЭ определяют пьезомодуль d и модуль Юнга Е..,, . Пьезомодуль о, может

юзэ

быть определен различными известными способами, например в соответствии с ГОСТ 12370-80. Модуль Юнга может быть измерен при непосредственном механическом нагружении либо определен по формуле

5 где - антирезонансная частота

ПКЭ (определяется в соответствии с ГОСТ 12370-80); С - расстояние между электродами ПКЭ:

0 . Р - плотность материала ПКЭ.

ПКЭ . измеренными значениями djj и . помещают в камеру с диэлектрической средой, например со сжатым воздухом или с высоким вакуумом, предварительно Установив его в приспособление для подключения электродов ПКЭ к внешнему источнику высокого напряжения. Давление сжатого воздуха 4-8-10 Па, вакуум мм рт.ст.

От внешнего источника высокого напряжения на электроды подают напряжение, вызьгоающее деформацию ПКЭ в направлении электрического поля и, как следствие этого, создающее в нем механические напряжения. Помещение ПКЭ в камеру с диэлектрической средой позволяет создавать электрическое поле напряженностью до 3-5 кВ/мм, что при пьезомодулях djj (200 400) м/В и модулях Юнга , порядка 810 Н/м достаточно для разрушения ПКЭ. Для определения предела прочности ПКЭ при разрушении напряженность электрического поля доводят до величины, при которой разрушается. Момент разрушения фиксируется, например, прекращением тока в датчике, установленном последовательно с ПКЭ в цепи подключения его к точнику высокого напряжения. При э измеряют напряженность Е электриче кого поля., Величину механического напряжения, соответствующую пределу прочности, определяют по формуле 4,, ЕЕ (Среднеарифметические значения результатов испытаний ПЭК в виде

Среднее арифметическое значение растягиваюЕцих напряжений при разрушении, 105 Й/м

425

Предлагаемый 282 Известный

Относительная погнешность измерений, %

23 36,8

98 104 8 дисков диаметром 30 мм и высотой 10 мм из материала ЦТБС-3 приведены в таблице. Как показали испытания, изобретение позволяет создавать механические напряжения в ПКЭ, приближенные к напряжениям, возникающим в них при рабочих режимах эксплуатации; при этом уменьшаются погрешности при контроле прочности на растяжение.

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКЙХ ЭЛЕМЕНТОВ(ПКЭ), включающий приложение к ПКЭ растягивающей нагрузки до его разрушения, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности контроля путем приближения условий нагружения к условиям эксплуатации ПКЭ, измеряют пьезомодуль Jj и модуль Юнга Ёц53з контролируемого ПКЭ, нагрузку, создают приложением к электродам ПКЭ электрического поля с вектором, совпадающим по направлению с вектором поляризации ПКЭ, нагружение проводят в диэлектрической среде, исключающей пробой между электродами ПКЭ, измеряют напряженность Е электрического поля в момент разрушения ПКЭ и с учетом измеренных величин судят о прочности ПКЭ. 2. Способ по п. 1, отличаю щ ий с я тем, что в качестве диэлектрической среды используют сжатый воздух под давлением