本发明专利技术公开了一种铁电陶瓷裂纹尖端电蠕变波的传播速度测量方法，包括下述步骤：首先将铁电材料切割成长×宽×厚＝h×s×t的试件，在试件中部切割出s/2裂纹，通过回火处理后，再在试件顶部厚度平面和底部厚度平面涂上电极；将该试件放置到偏振光学仪器下，在裂尖位置的前方、裂尖位置的上方、裂尖位置的后方涂抹记号，接通直流电压，开始计算时间；每隔30秒记录整个试件的光学图像一次，直到1500秒以上，试件上光学彩色条纹图像稳定为止，此时偏振光彩色图像已经扩展到试件裂纹尖端的上方、下方和前方边界；最后通过计算分别得到电蠕变波从裂纹尖端传播到裂尖位置的上方、前方、后方三个记号的三个时间数值，最终获得蠕变波的波速。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及采用偏振光技术来测量铁电陶瓷裂纹尖端电蠕变波沿裂尖指向各方向的传播速度。
技术介绍
铁电陶瓷广泛应用于电子业、仪器仪表业，例如，传感器、作动器等等。铁电材料往往是脆性材料，在其制造过程中和工业使用过程中裂纹的出现难以避免。而铁电陶瓷材料在应用时往往受到强电场的作用，裂纹的尖端过程区将是非线性的。著名的电疲劳裂纹扩展问题就是导致铁电材料破坏的原因之一。由于裂纹尖端电场强度的集中效应，即使在外电场只有矫顽电场的几分之一时，过程区内局部电场就超过矫顽电场强度，其中的电畴群体发生极化，从原来的随机指向分布变成群体指向外电场方向。但是，外电场的传播速度是光速，可是裂纹尖端由于电蠕变弓丨起的电畴旋转速度极其缓慢。测量这个电蠕变波的速度是非常重要的，因为它直接支配着裂纹尖端过程区电屈服区的尺寸和形状随时间的变化关系，进而直接影响在电载荷下裂纹的稳定性。电畴旋转现象的发现是近30年的事情，而电蠕变现象的发现是近10年的事情。其表达公式为P； =P0(E3ZEc)"1⑴这里疗是局部极化速率，戽是极化速率常数，E3是局部的电场强度，Ec是铁电材料的矫顽电场，m是铁电材料电蠕变的幂指数。前人对铁电材料的电蠕变作了一些实验研究，已经证明公式(1)是成立的，并且对PLZT (锆钛酸铅镧)铁电材料得到了极化速率常数户。，电蠕变的幂指数m的具体数值。而与此相平行的是，二十世纪80年代外国学者对韧性材料机械性蠕变导致裂纹尖端附近的位错发射(dislocation emission)的研究。在纯电载荷下的铁电材料裂纹尖端应该有相应的物理现象，这就是本项专利技术指出的裂纹尖端场电畴的旋转发射问题(domain switching emission)0需要指出的是，所有涉及到铁电材料电畴的旋转问题和电蠕变的国内外文献，存在以下几个不足之处1、他们仅仅涉及电畴旋转的基本物理机理，没有认识到裂纹尖端电畴发射这个关键现象是个波动问题，当然更没有联系到电畴发射的速度(velocityofthe emission)，即波动的速度。2、前人对铁电陶瓷材料电致破坏，或者裂纹问题的理论和试验研究认识到了裂纹尖端区的电畴旋转问题和极化问题，但是，他们对近尖端非线性区的确定是没有考虑到随时间变化的规律，当然更没有考虑电畴从裂尖发射对非线性区的影响。3、尤其是，前人的研究没有认识到这个电畴发射的速度是非常慢的，量级在微米 /秒(我们发现400秒才移动了 0. 5mm)，而且他人不知道尽管这种波动非常缓慢，但是最终还是会传播到几乎整个区域的(除裂纹尖端后方的局部区域之外)。我们发现，一个 IOmmX 5mm的平面区域，电畴发射后1500秒，电畴发射使几乎整个试件被扰动。这样对铁电陶瓷的裂纹高周电疲劳问题(例如，频率IHZ以上)，裂纹近尖过程区的电畴根本来不及反转，电畴屏蔽的效应不够明显；而对极低的频率(例如0. 1HZ)，过程区中的电畴有充足的时间反转，消耗能量，屏蔽效应就明显。
技术实现思路
由于铁电陶瓷材料裂纹尖端电蠕变波的传播速度将大大影响铁电材料中裂纹在低频交变电场下的疲劳裂纹扩展，并反映着铁电材料裂纹尖端的非线性过程区尺寸和形状的时间相关性，以及随时间的增长速度、变化规律，本专利技术的目的是提供一种铁电陶瓷材料裂纹尖端电蠕变波的传播及其速度的测量方法，通过对铁电陶瓷裂纹尖端过程区的极化过程和与时间的相关的测量计算，能够间接地计算出极化速律，这对于工业界铁电陶瓷在电疲劳裂纹扩展特性和残余寿命有重要的实用价值，同时对提高和改善铁电材料质量、极化速度，提高或者确定其电致破怀韧性和应用范围有实际意义。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的一种，其特征在于，包括下述步骤(1)已知透明铁电材料的极化常数$，矫顽电场E。，电蠕变的幂指数m，将铁电材料切割成长X宽X厚=hXsXt的试件，在试件中部切割出裂纹，裂纹长度为试件宽度的一半，即S/2，通过回火处理后，再在试件顶部厚度平面和底部厚度平面涂上电极，准备接通直流电压使试件平均的电场强度E为矫顽电场E。的1/2 ；(2)将该试件放置到偏振光学仪器下，在裂尖位置的前方A处、裂尖位置的上方B 处、裂尖位置的后方C处涂抹记号，A、B、C三处到裂尖的距离均为1，接通直流电压，开始计算时间，可观测到光学彩色条纹图像在随着时间变化，从裂纹尖端附近向远处扩散；(3)每隔30秒记录整个试件的光学图像一次，直到1500秒以上，试件上光学彩色条纹图像稳定为止，此时偏振光彩色图像已经扩展到试件上、下边界和右边界，即裂纹尖端的上方、下方和前方边界；(4)通过计算分别得到电蠕变波从裂纹尖端传播到裂尖位置的上方A处、裂尖位置的前方B处、裂尖位置的后方C处三个记号的三个时间数值，这样，蠕变波速就是距离1 除以上述三个时间数值中的一个就是该方向上蠕变波的波速。上述方案中，步骤(1)中所述试件的hXsXt = IOmmX5mmX0.2mm;步骤(2)中所述距离1可以根据试件尺寸大小选择为0. 5 1mm，。与现有技术相比，本专利技术是在前人还没有认识到铁电材料裂纹尖端有电畴发射现象(Domain Switching Emission from a crack tip)的情况下公开的。前人只发现和详细研究了无机电耦合效应下的金属材料裂纹尖端的位错发射现象(Dislocation emissionfrom cracks, Anderson P. Μ. and Rice, J.R. ,1986, Dislocation emission from cracks in crystals along crystal interfaces，ScriptaMetallurgica，Vol. 20，pp. 1467—1472)。 而本项专利技术是针对机电耦合材料在未极化前，在纯电载荷下发生的裂纹尖端电畴旋转发射现象，并且观测发射的图像和测量了发射速度。本项专利技术对铁电材料在低周电疲劳情况下的裂纹稳定性评估有重要意义。以下结合附图及具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。附图说明图1为带有裂纹的铁电平板试验示意图。图中PLZT铁电材料是透明的，其上表面1上有裂纹3和裂纹区2 ；偏振光4从下向上传播，上面是显微镜6和计算机处理装置5， 外加电场的电极在试件两侧。图2为测量出的光学参数sin δ随时间的变化。图3为光学参数sin δ和材料电载荷下的主应变差ε 33_ ε η之间的近似的线性关系。图4为本专利技术观测到的电畴旋转波的缓慢传播(随时间演进)的照片。图5为本专利技术观测到的三点(Α在裂纹尖端前方0. 5mm, B在尖端上方0. 5mm, C在尖端后方0.5mm)的电畴旋转波传播速度测量。具体实施例方式—种铁电材料裂纹尖端电蠕变波(电畴旋转波)传播速度的测量方法，包括下述步骤(1)已知在极化前是透明的铁电材料(如PLZT系列多晶铁电陶瓷)的极化常数片，矫顽电场E。，电蠕变的幂指数m，将铁电材料切割成长X宽X厚=hXsXt = 10mmX5mmX0. 2mm的试件，在试件中部用金刚石刀切割出裂纹，裂纹长度为试件宽度的一半，即5mm，再在试件顶部厚度平面和底部厚度平面涂上电极，准备接通直流电压使试件外加的电场强度为矫顽电场的1/2，即直流电压ν除以试件长度h等本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种铁电陶瓷裂纹尖端电蠕变波的传播速度测量方法，其特征在于，包括下述步骤：（１）已知透明铁电材料的极化常数矫顽电场Ｅｃ，电蠕变的幂指数ｍ，将铁电材料切割成长×宽×厚＝ｈ×ｓ×ｔ的试件，在试件中部切割出裂纹，裂纹长度为试件宽度的一半，即ｓ／２，通过回火处理后，再在试件顶部厚度平面和底部厚度平面涂上电极，准备接通直流电压使试件平均的电场强度Ｅ为矫顽电场Ｅｃ的１／２；（２）将该试件放置到偏振光学仪器下，在裂尖位置的前方Ａ处、裂尖位置的上方Ｂ处、裂尖位置的后方Ｃ处涂抹记号，Ａ、Ｂ、Ｃ三处到裂尖的距离均为ｌ，接通直流电压，开始计算时间，可观测到光学彩色条纹图像在随着时间变化，从裂纹尖端附近向远处扩散；（３）每隔３０秒记录整个试件的光学图像一次，直到１５００秒以上，试件上光学彩色条纹图像稳定为止，此时偏振光彩色图像已经扩展到试件上、下边界和右边界，即裂纹尖端的上方、下方和前方边界；（４）通过计算分别得到电蠕变波从裂纹尖端传播到裂尖位置的上方Ａ处、裂尖位置的前方Ｂ处、裂尖位置的后方Ｃ处三个记号的三个时间数值，这样，蠕变波速就是距离ｌ除以上述三个时间数值中的一个就是该方向上蠕变波的波速。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘启达，陈宜亨，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87
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