Использование межпредметных связей при изучении композиционных электроактивных материалов в курсе магистратуры

Простейший прибор для определения пьезоэлектрических свойств в динамических условиях представляет собой звукоизолированную камеру, в которой помещен генератор (динамик) и образцовый, предварительно отградуированный, измерительный микрофон, измеряющий интенсивность генерируемого сигнала. Рядом с микрофоном помещают измеряемый образец пьезополимера, снабженный электродами и выводами. Фактически и

змеряется чувствительность пьезоэлемента как микрофона J (в В/Па), которую затем пересчитывают в пьезомодуль:

d=Jεε0/L (8)

где ε-диэлектрическая проницаемость материала, L-толщина образца.

В зависимости от геометрии пьезоэлемента и камеры измеряют dnили d33 в последнем случае затем рассчитывают d33, используя формулу (7).

Пьезомодули d31 и d32полимеров в динамическом режиме определяют также методом вынужденных колебаний на установке, показанной на рис.5. Установка позволяет определять не только пьезомодули, но и угол механических потерь δ и модуль упругости Еу при растяжении в динамических условиях.

Установка состоит из корпуса, на котором укреплены термокамера и электродвигатель с механическим приводом, В термокамеру помещают образец в виде полоски толщиной 0.05-1 мм и размером 10×120 мм. Камера имеет принудительную вентиляцию и обогрев, температура в камере поддерживается автоматически.

Рис.5. Установка для определения пьезомодуля d31 при динамическом растяжении:

1-основание; 2-индукционный датчик для измерения деформации; 3-термокрнокамера: 4 - образец; 5 - электрод на образце; 6 - верхний (неподвижный) зажим; 7 - нижний (подвижный) зажим; 8-шток; 9-пружина; 10-эксцентрик; 11-рамка; 12-индукционный датчик для измерения нагрузки; 13 - электродвигатель; 14 - электродвигатель вентилятора.

Механический привод состоит из эксцентрика, укрепленного на валу электродвигателя, каретки, перемещающейся вверх-вниз по направляющим, двух пружин и штока, через который передастся деформация растяжения на образец. Шток жестко соединен с нижним (подвижным) зажимом, который по направляющим может передвигаться вверх-вниз. Образец закрепляют в зажимах и подвергают деформации растяжения синусоидальной формы с частотой около 20 Гц. К электродам, нанесенным на поверхность образцов, с помощью контактного зажима прикрепляются гибкие проводники, соединенные экранированным кабелем с входом вольтметра.

Измерение нагрузки и деформации проводят с помощью индукционных датчиков, соединенных с верхним штоком и кареткой эксцентрика. Величину деформации измеряют по сигналу с верхнего датчика (№ 1), сигнал с которого совпадает по амплитуде и по фазе с деформацией образца. Сигнал с датчика № 2 совпадает по фазе с механической нагрузкой. Сигналы с датчиков № I и № 2 подаются на избирательный усилитель, который выделяет полезные сигналы (20 ± 5 Гц) и усиливает их до амплитуд, необходимых для нормальной работы: после усиления сигналы подаются на вход фазочувствительного усилителя, причем сигнал с датчика № 2 опорный, сигнал с выхода усилителя пропорционален углу сдвига фаз 8Ы" между механической нагрузкой и деформацией. Сигналы, пропорциональные разнице потенциалов (от деформации образу) ∆V. углу сдвига фаз нагрузке и деформации, полаются на ось ординат двух координатного самопишущего потенциометра, а на ось абсцисс подается сигнал от термопары, установленной в термокамере. После соответствующих расчетов получают температурные зависимости пьезомодуля и тангенса угла механических потерь tg δмех

Измерение пьезомодулей d3l и d32 полимерных пьезопленок в диапазоне частот 102-104 Гц проводят также методом пьезоэлектрического трансформатора. На образец пленки в виде полоски наносят электроды, один из которых разделен на две равные части поперечным зазором. На одну половину образца подают переменное напряжение от внешнего генератора U1 при этом вследствие механических колебаний, генерируемых в образце из-за обратного пьезоэффекта, на второй половине образца появляется переменное напряжение U2, которое и измеряется. По величине отношения U2/U1рассчитывают коэффициент электромеханической связи к:

k2 =2/ (1+U1/U2) (8)

Поскольку U1>>U2, то к2≈2U2/U1.

По значению к рассчитывают пьезомодуль:

d=k/Ey (9)

Модуль упругости Еу рассчитывают по резонансной частоте образца или определяют отдельно.

В ряде случаев измеряют не только суммарный пьезомодуль, но и комплексный d* и его компоненты:

d*=d′-jd″ (10)

Поскольку полимеры обладают вязкоэластическими свойствами, всегда наблюдается сдвиг фаз между приложенным напряжением и деформацией, который характеризуется углом δn: tgδn = d"/d'.

Схема установки для определения частотно-температурных зависимостей d' н d" приведена на рис.6. Образец в виде пленки зажимают между двумя зажимами, один из которых приводят в возвратно-поступательное движение с частотой 0,1 - 110 Гц. В результате растяжения образца на его поверхности появляется разность потенциалов, синусоидально зависящая от времени. Напряжение измеряется на электродах, приклеенных к поверхности образца. Сигнал компенсируется подачей напряжения обратной полярности через конденсаторы известной емкости. Компенсирующее напряжение подастся от катушки индуктивности, связанной с генератором колебаний, так что это напряжение пропорционально деформации. Фазу и величину компенсирующего напряжения подбирают с помощью двух аттенюаторов. Напряжение, получающееся в результате суперпозиции сигнала с образца и компенсирующею сигнала, усиливается и поступает на фазочувствительные детекторы. Напряжение, измеряемое на одном детекторе, находится в фазе с приводом деформаций, напряжение, измеряемое другим детектором, сдвинуто по фазе относительно первого на 900 (π/2). Оба сигнала фиксируются на осях х и у осциллографа, и компенсация осуществляется, когда изображение сведено в точку. В этих условиях определяют абсолютное значение и фазовый угол компенсирующего напряжения, из которых отношение поляризации к приложенному напряжению и фазовый угол между ними можно определить, умножив на емкость С. Измерительная ячейка, где помещается измеряемый образец, имеет термостатирование в диапазоне температур от - 150 до 200 0С

Для ориентированных пьезоэлектрических пленок на основе ПВДФ со спонтанной поляризацией температурно-частотные зависимости d* определяются преимущественно электрострикцией, ее связью с диэлектрической и механической релаксацией полимеров.

Остаточную поляризацию полимерных пьезоэлектриков определяют по гистерезисным петлям е31 - Е, а также по пьезоэффекту при максимальных механических нагрузках (вплоть до разрушения). По гистерезисным петлям определяют также коэрцитивное поле.

Рис.6. Схема установки для определения пьезоэлектрических параметров пьезополимерных пленок: