Использование межпредметных связей при изучении композиционных электроактивных материалов в курсе магистратуры

Рис.2. Схема установки для измерения пьезомодуля d33 c помощью баллистического гальванометра: 1 - образец с электродами, 2 - баллистический гальванометр; 3-шунт гальванометра: 4 - переключатель; 5 - источник постоянного напряжения; С0 - образцовый конденсатор; V - вольтметр; R - потенциометр.

Модуль d33 можно измерять также с помощью электрометров-статических вольтметров (рис.3). Сущность м

етода заключается в измерении разности потенциалов на поверхности образца при статическом сжатии. При измерениях необходимо знать емкость образца, входную емкость электрометра и емкость соединительных проводов. Пьезомодуль рассчитывают по формуле d33=VCоб/F, если площадь электродов S равна площади, к которой прикладывается механическая нагрузка s. Если S≠ s, то

D33=VСобs/SF. (2)

Если присоединить к установке на вход электрометра конденсатор с известной емкостью С, значительно превышающей емкость образца, соединительных проводов и электрометра, то емкость образца можно не измерять, поскольку Соб ≈С.

Описанный метод пригоден для измерения пьезомодулей полимерных образцов с высоким электросопротивлением и без остаточных токов. Если же имеется остаточный ток (после поляризации), то измеряют изменение напряжения ∆Vза время ∆t при снятии нагрузки и при нагружении, затем оба значения усредняют и подставляют в (2).

Включение в измерительную цепь конденсатора большой емкости повышает постоянную времени прибора, что может оказаться нежелательным.

При испытании пленок или пластин толщиной 2-1000 мкм определение пьезомодулей d33и d31проводят на образцах в виде полосок размером 100×20 мм, на которые наносят электроды размером 10×40 мм, например напылением металла в вакууме или в виде слоя коллоидного графита (аквадага). Устройство для приложения нагрузки при сжатии показано на рис.3 б. Оно состоит из металлического основания, покоящегося на фарфоровых изоляторах, которое служит одним из электродов. Сверху помещают электрод размером, точно соответствующим размеру электрода, нанесенного на поверхность образца (40×10×7 мм). На электрод кладут коромысло, на котором подвешивается чашка с грузом. Устройство помещают в экранированную камеру, которая одновременно является термокриокамерой, снабженной вентилятором, нагревательным элементом и термопарой, соединенной с потенциометром ЭПВ-01. Измерения пьезомодулей можно проводить при температурах до 2500С. Статический пьезомодуль при растяжении. Метод определения d3l состоит в измерении разности потенциалов на обеих сторонах образцов при их растяжении при статическом нагружении. Статическая нагрузка может прикладываться внезапно (навешиванием груза) или постепенно (растягиванием образца на разрывной машине). Пьезомодуль рассчитывают по формуле:

d31=VCоб s/Smg (3)

где V - разность потенциалов. Соб - сумма емкости образца, входной емкости электрометра (вольтметра) и емкости соединительных проводов; т приложенная нагрузка: g-ускорение свободного падения; s-площадь поперечного сечения образца, при использовании образцов размером 100×20×Lмм (где L-толщина) s = 20Lмм2; S-площадь электрода; (при использовании образца, показаннго на рис.3, а. с электродами размером 40×10mmS - 4 см2); расчетная формула при этом имеет вид:

d31 (пКл/Н) =5,110-3 (4)

Схема установки для определения d31приведена на рис.3a. Образец зажимают в зажимах, к нижнему зажиму подвешивают чашку с грузом. Контактный зажим прикрепляют к образцу так, чтобы электроды зажима соприкасались с электродами образца; провода от контактного зажима присоединяют к кабелю, соединяющему камеру с электрометром.

Внезапное нагружение применяют в том случае, если проводимость образца велика. Если сопротивление образца больше 1012 Ом, то время нагружения и разгружения значения не имеет. Если имеются разрядные токи, то нужно проводить измерения так, как это указано в предыдущем разделе при нагружении и разгружении, усредняя показания электрометра.

Рис.6.3 Схема установки для измерения пьезомодулей d31 (а) и d33 (б) при статическом нагружеиии с помощью электрометра:

а (растяжение): 1-образец; 2-зажимы; 3 - электроды; 4-груз; 5 - предварительный усилитель с динамическим конденсатором; 6-вольтметр-электрометр; 7 - мост переменного тока для измерения емкости образца; 8-камера; 9 - металлический столик; б (сжатие): 1-образец; 2-электроды; 3-верхний электрод; 4-металлическая пластинка; 5-рамка; 6-груз; 7-керамический столик; 8-камера; 9 - металлический столик; 10-предусилитель; 11-вольтметр-электрометр; 12-мост переменного тока.

Рис.4. Схема установки для измерения пьезомодуля dn при всестороннем сжатии (сжатым воздухом): 1-образец; 2 - электродное устройство; 3-камера; 4 - манометр; 5 - электрометр.

Статический пьезомодуль при всестороннем сжатии. Установка для определения статического пьезомодуля при всестороннем сжатии показана на рис.4. Она состоит из термокриокамеры и вольтметра-электрометра. Камера имеет герметично закрывающуюся крышку, снабженную резиновой прокладкой, патрубок для подачи сжатого воздуха, манометр, вводы с изоляцией из политетрафторэтилена. Электрометр соединяется с камерой экранированным кабелем, имеющим высококачественную изоляцию из полиэтилена. Входное сопротивление вольтметра-электрометра (ВК 2-16, В 7-30) не менее 1015 Ом.

Образец с нанесенными электродами закрепляют в контактном зажиме и помешают в термокриокамеру. Резиновой трубкой камеру соединяют с источником сжатого воздуха, затем подают сжатый воздух и закрывают отверстие патрубка; при этом давление р повышается до заданного уровня, которое фиксируют по манометру. Установившиеся показания вольтметра-электрометра после подачи давления V1 и после сбрасывания давления V2 фиксируют. Пьезомодуль dn (Кл/Н) вычисляют по формуле:

dn=VCоб / 9,81104 Sp (5)

где

V=V1-V2; Со6 - суммарная емкость образца, соединительного кабеля и входа вольтметра-электрометра: р - давление в камере; S-площадь электродов при использовании образцов, показанных на рис.3а, с размером электродов S= 4 см2 расчетная формула имеет вид:

dn=0,255VCоб/p. (6)

Поскольку давление прикладывают преимуществено к плоскости образцов (если образцы в виде пластин, пленок), то можно полагать, что dn-это пьезомодуль при сжатии d33 (пьезомодуль при продольной нагрузке). Однако при анализе значений пьезомодулей следует помнить, что модуль всестороннего сжатия (гидростатический) равен:

dn = d33-2d3l. (7)

Так же широко распространены динамические методы.

Одним из существенных недостатков методов исследования пьезоэлектрических свойств полимеров является то, что при измерениях моделируются условия, которые не соответствуют реальным, так* как полимерные пьезоэлементы используются для обнаружения и воспроизведения сигналов при более высоких частотах (так, в микрофонах, гидрофонах фиксируются колебания частоты 102 - 105Гц). Кроме того, при статических испытаниях основную роль играют медленно протекающие процессы, например поляризация Максвелла Вагнера, а также возможны локальные изменения температуры, приводящие к пироэффекту, что вносит дополнительный вклад в измеряемый пьезомодуль.