壓電材料壓電係數的測試方法及測試裝置與流程

2023-10-23 20:22:52

本發明涉及材料測試技術領域，特別涉及一種壓電材料壓電係數的測試方法及測試裝置。

背景技術：

近年來，由於壓電聚合物在越來越多的領域內的廣泛使用，對於壓電聚合物的壓電係數d31以及d33的測量也愈來愈成為了一個需要表徵的重要參數。其中，d31用於表徵厚度方向的電場引起的長度方向的形變程度，而d33用於表徵厚度方向的電場引起的厚度方向的形變程度。

對於材料來說，相比較於壓電陶瓷等硬質材料而言，對壓電聚合物材料的壓電係數d31、d33的測量是一個相對複雜的過程。

目前用於測量材料的壓電係數d31、d33的工具基本上都是為壓電陶瓷等硬度材料設計的，如d33測量儀(d33testermeter，聯能科技有限公司)，阻抗分析儀(keysighte4990阻抗分析儀)等，上述工具在對樣品進行測量時需要被測樣品的尺寸較厚，同時也要求其諧振頻率較低等，但是，由於壓電聚合物具有偏軟的機械性能，並且「尺寸較厚」、「諧振頻率較低」等是壓電聚合物所不具備的，因此，現有技術中用於測量材料壓電係數d31、d33的工具不適用於對壓電聚合物進行測量，目前採用的測試裝置和測試方法的適用性低。

因此，如何提供一種適用性較高的壓電材料壓電係數的測試方法及測試裝置是本領域技術人員亟需解決的技術問題之一。

技術實現要素：

本發明提供了一種壓電材料壓電係數的測試方法及測試裝置，該測試方法 及測試裝置能夠對壓電聚合物等材料壓電係數進行測試，適用性較高。

為達到上述目的，本發明提供以下技術方案：

一種壓電材料壓電係數的測試方法，包括：

沿待測試樣品的延展面在待測試樣品相對的兩側施加拉力，其中，所述待測試樣品為片狀或者薄膜狀，且所述待測試樣品相對的兩個表面中，一個表面鍍有上電極層，另一個表面鍍有下電極層；

獲得沿待測試樣品的延展面在待測試樣品相對的兩側施加的拉力信號，且獲得上電極層和下電極層之間的電信號；

根據獲得的拉力信號確定在待測試樣品上施加的作用力信號，且根據獲得的電信號確定待測試樣品受到拉力時產生的表面電荷密度；

根據確定的表面電荷密度以及確定的作用力信號確定待測試樣品的壓電係數，其中，確定所述壓電係數時利用下述公式計算：

diik＝d/f；

其中，diik是壓電係數，d是表面電荷密度，f是施加的拉力。

上述測試方法中，待測試樣品為片狀或者薄膜狀結構，且在待測試樣品相對的兩個側面上分別鍍有上電極層和下電極層，並且，對待測試樣品施加的作用力是沿待測試樣品的延展面施加的，其對待測試樣品的厚度以及硬度等要求較低，當沿待測試樣品的延展面在待測試樣品相對的兩側施加拉力時由壓電聚合物材料形成的待測試樣品會產生電能，然後通過待測試樣品上設置的上電極層和下電極層對待測試樣品上產生的電能的電信號進行檢測，通過檢測到的待測試樣品產生的電信號確定待測試樣品產生的表面電荷密度，然後，根據確定的對待測試樣品施加的拉力產生的作用力信號以及上述表面電荷密度來確定有壓電聚合物材料形成的待測試樣品的壓電係數，因此，上述測試方法能夠對壓電聚合物等材料壓電係數進行測試，適用性較高。

優選地，所述沿待測試樣品的延展面在待測試樣品相對的兩側施加拉力，包括：

生成模塊生成振動信號；

控制機械振動裝置根據所述振動信號為待測試樣品施加拉力。

優選地，在所述振動信號傳輸至所述機械振動裝置之前，還包括：

對振動信號進行放大。

優選地，所述振動信號為周期性信號或非周期性信號。

優選地，所述振動信號為正弦信號、三角波信號或矩形信號。

優選地，所述待測試樣品為長帶狀薄膜，其中，所述待測試樣品：長度為1cm-10cm、寬度為0.5cm-2cm、厚度為0.01mm-0.1mm。

優選地，所述上電極層的厚度為10nm-500nm，所述下電極層的厚度為10nm-500nm。

優選地，所述上電極層的材料為鋁、金、銀、或者導電聚合物，和/或，所述下電極層的材料為鋁、金、銀、或者導電聚合物。

優選地，所述拉力信號為由拉力轉換為的電信號，所述根據獲得的拉力信號確定在待測試樣品上施加的作用力信號包括：

根據由拉力信號轉換的電信號確定在待測試樣品上施加的作用力信號。

本發明還提供了一種壓電材料壓電係數的測試裝置，包括：

支架：

夾具組件：安裝於所述支架、用於沿待測試樣品的延展面在待測試樣品相對的兩側夾持待測試樣品的夾具組件；

動力模塊：安裝於所述支架的動力模塊，用於沿待測試樣品的延展面在待測試樣品相對的兩側施加拉力；

拉力檢測模塊：用於獲得沿待測試樣品的延展面在待測試樣品相對的兩側施加的拉力信號；

電信號獲得模塊：用於獲得上電極層和下電極層之間的電信號；

處理模塊：用於根據獲得的拉力信號確定在待測試樣品上施加的作用力信號，且根據獲得的電信號確定待測試樣品受到拉力時產生的表面電荷密度；根 據確定的表面電荷密度以及確定的作用力信號利用下述公式確定壓電聚合物的壓電係數：

diik＝d/f；

其中，diik是壓電係數，d是表面電荷密度，f是施加的拉力。

優選地，所述動力模塊包括：

振動信號生成裝置，用於生成振動信號；

安裝於所述支架的機械振動裝置，所述機械振動裝置與所述振動信號生成裝置信號連接，用於根據所述振動信號沿待測試樣品的延展面為待測試樣品施加拉力。

優選地，所述支架包括第一支撐架和第二支撐架，所述夾具組件包括第一夾具和第二夾具；其中：

所述機械振動裝置安裝於所述第一支撐架，所述第一夾具固定於所述動力模塊；

所述第二夾具安裝於所述第二支撐臺，且所述拉力檢測模塊安裝於所述第二支撐臺與所述第二夾具之間。

優選地，所述機械振動裝置通過升降裝置可沿豎直方向位置可調地安裝於所述第一支撐架。

優選地，所述第二夾具通過二維平移機構安裝於所述第二支撐架、以使第二夾具在所述待測試樣品的延展方向所在平面內位置可調。

優選地，所述拉力檢測模塊安裝於所述第二夾具。

優選地，所述振動信號生成裝置為鎖相放大器或者函數發生器。

優選地，所述振動信號生成裝置與所述機械振動裝置之間鍍有功率放大器，用於在所述振動信號傳輸至所述機械振動裝置之前對振動信號進行放大。

優選地，所述功率放大器為音頻放大器或者射頻功率放大器。

優選地，所述第一夾具和所述第二夾具之間的距離為1-5cm。

優選地，所述電信號獲得模塊為鎖相放大器或靜電儀。

優選地，所述支架還包括承載平臺，所述第一支撐架和第二支撐架沿所述承載平臺中承載面的延展面內位置可調地安裝於所述承載平臺。

優選地，所述第一支撐架與所述承載平臺之間通過磁性組件磁性連接，和/或，所述第二支撐架與所述承載平臺之間通過磁性組件磁性連接。

附圖說明

附圖是用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本發明，但並不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1為本發明提供的壓電材料壓電係數的測試方法的流程示意圖；

圖2為本發明提供的壓電材料壓電係數的測試裝置的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明實施例提供了一種壓電聚合物壓電係數的測試方法及測試裝置，該測試方法及測試裝置能夠對壓電聚合物的壓電係數進行測試。

具體地，下述將結合附圖對本發明實施例提供的結構以及原理進行描述。

請參考圖1，本發明實施例提供的壓電聚合物壓電係數的測試方法，包括：

步驟s101，沿待測試樣品的延展面在待測試樣品相對的兩側施加拉力，其中，所述待測試樣品為片狀或者薄膜狀，且所述待測試樣品相對的兩個表面中，一個表面鍍有上電極層，另一個表面鍍有下電極層；

步驟s102，獲得沿待測試樣品的延展面在待測試樣品相對的兩側施加的拉力信號，且獲得上電極層和下電極層之間的電信號；

步驟s103，根據獲得的拉力信號確定在待測試樣品上施加的作用力信號，且根據獲得的電信號確定待測試樣品受到拉力時產生的表面電荷密度；

步驟s104，根據確定的表面電荷密度以及確定的作用力信號確定待測試樣品的壓電係數，其中，確定所述壓電係數時利用下述公式計算：

diik＝d/f；

其中，diik是壓電係數，d是表面電荷密度，f是施加的拉力。

上述測試方法中，待測試樣品為片狀或者薄膜狀結構，且在待測試樣品相對的兩個側面上分別鍍有上電極層和下電極層，並且，對待測試樣品施加的作用力是沿待測試樣品的延展面施加的，其對待測試樣品的厚度以及硬度等要求較低，當沿待測試樣品的延展面在待測試樣品相對的兩側施加拉力時由壓電聚合物材料形成的待測試樣品會產生電能，然後通過待測試樣品上設置的上電極層和下電極層對待測試樣品上產生的電能的電信號進行檢測，通過檢測到的待測試樣品產生的電信號確定待測試樣品產生的表面電荷密度，然後，根據確定的對待測試樣品施加的拉力產生的作用力信號以及上述表面電荷密度來確定有壓電聚合物材料形成的待測試樣品的壓電係數，因此，上述測試方法能夠對壓電聚合物等材料壓電係數進行測試，適用性較高。

當然，上述測試方法中，步驟s101中的待測試樣品可以是事先加工好的，還可以是現場製作的，這樣，上述測試方法在步驟s101之前還可以包括：在片狀或者薄膜狀的樣品中相對的兩個表面上分別形成上電極層和下電極層；形成上電極層和下電極層時可以採用氣相沉積的工藝實現。

一種優選實施方式中，上述步驟s101中，沿待測試樣品的延展面在待測試樣品相對的兩側施加拉力，可以包括：

振動信號生成裝置生成振動信號；

控制機械振動裝置根據振動信號為待測試樣品施加拉力。

上述步驟s101中具體可以通過機械振動裝置為待測試樣品施加拉力，機械振動裝置的主要功能是沿待測試樣品延展面方向振動，進而為待測試樣品提 供沿待測試樣品延展面方向的拉力。

當然，在振動信號傳輸至機械振動裝置之前，還包括步驟：對振動信號進行放大。這樣，能夠減小振動信號生成裝置的功率，進而能夠減小測試時的能耗。

具體地，振動信號生成裝置生成的振動信號可以為周期性信號，也可以為非周期性信號，這裡不做限定。

更具體地，振動信號生成裝置生成的振動信號可以具體為正弦信號、三角波信號或矩形信號。

一種優選實施方式中，具有片狀或者薄膜狀結構的待測試樣品的尺寸範圍沒有特殊限定，如待測樣品的尺寸中，長度可以為1cm-10cm、寬度可以為0.5cm-2cm、厚度可以為0.01mm-0.1mm。

同時，上述待測試樣品上設置的上電極層和下電極層的厚度可以相同，也可以不同，具體地，上電極層的厚度為10nm-500nm，下電極層的厚度為10nm-500nm。

更具體地，上電極層的材料可以為鋁、金、銀、或者導電聚合物，和/或，下電極層的材料為鋁、金、銀、或者導電聚合物。

一種優選實施方式中，上述步驟s103中獲得的拉力信號為由拉力轉換為的電信號，則上述步驟s103確定在待測試樣品上施加的作用力信號，具體包括：

根據由拉力信號轉換的電信號確定在待測試樣品上施加的作用力信號。

請參考圖2，本發明另一實施例提供的測試裝置包括：

支架2：

夾具組件：安裝於支架2、用於沿待測試樣品a的延展面在待測試樣品a相對的兩側夾持待測試a樣品的夾具組件4；

動力模塊：安裝於支架2的動力模塊3，用於沿待測試樣品a的延展面在待測試樣品a相對的兩側施加拉力；

拉力檢測模塊5：用於獲得沿待測試樣品a的延展面在待測試樣品a相對的兩側施加的拉力信號；

電信號獲得模塊6：用於獲得待測試樣品a鍍有的上電極層和下電極層之間的電信號；

處理模塊7：用於根據獲得的拉力信號確定在待測試樣品a上施加的作用力信號，且根據獲得的電信號確定待測試樣品a受到拉力時產生的表面電荷密度；根據確定的表面電荷密度以及確定的作用力信號利用下述公式確定壓電聚合物的壓電係數：

diik＝d/f；

其中，diik是壓電係數，d是表面電荷密度，f是施加的拉力。

當使用上述測試裝置對壓電材料的待測試樣品a的壓電係數進行測試時，沿待測試樣品a的延展面，可以通過夾具組件4自待測試樣品a相對的兩側夾持待測試樣品a，如圖2中所示，然後通過動力模塊3沿待測試樣品a的延展面在待測試樣品a相對的兩側施加拉力，然後通過拉力檢測模塊5獲得待測試樣品a上施加的拉力信號，並且通過電信號獲得模塊6獲得待測試樣品a上設置的上電極層和下電極層之間的電信號，最後，通過處理模塊7根據獲得拉力信號確定作用力信號，並且根據獲得的電信號確定待測試樣品受到拉力時產生的表面電荷密度，最後，根據確定的表面電荷密度以及確定的作用力信號利用下述公式確定壓電聚合物的壓電係數：

diik＝d/f；

其中，diik是壓電係數，d是表面電荷密度，f是施加的拉力。

因此，上述測試裝置在工作過程中，沿待測試樣品a的延展面通過夾具組件4自待測試樣品a相對的兩側夾持待測試樣品a，並且通過動力模塊3沿待測試樣品a的延展面在待測試樣品a相對的兩側施加拉力，因此，上述測試裝置對壓電材料進行壓電係數測試時對待測試樣品的厚度以及硬度等要求較低，因此，能夠對壓電聚合物等材料壓電係數進行測試，適用性較高。

一種具體實施方式中，上述動力模塊3包括：

振動信號生成裝置32，用於生成振動信號；

安裝於支架2的機械振動裝置31，機械振動裝置31與振動信號生成裝置32信號連接，用於根據振動信號沿待測試樣品a的延展面為待測試樣品a施加拉力。

機械振動裝置31為待測試樣品a提供橫向的作用力，進而能夠沿待測試樣品a的延展面為待測試樣品a提供沿拉伸作用力。

一種實施方式中，如圖2所示，上述支架2包括第一支撐架21和第二支撐架22，夾具組件4包括第一夾具41和第二夾具42；其中：

機械振動裝置31安裝於第一支撐架21，第一夾具41固定於動力模塊4上，具體地，固定於機械振動裝置31上，進而能夠被機械振動裝置31驅動進而為待測試樣品a提供拉伸力；

第二夾具42安裝於第二支撐臺22，且拉力檢測模塊5安裝於第二支撐臺22與第二夾具42之間，進而，當機械振動裝置31通過第一夾具41為待測試樣品a提供拉伸力時，拉力檢測模塊5能夠檢測通過第二夾具42傳遞過來的拉力。

具體地，為了能夠實時調整第一夾具41沿豎直方向上的位置，以使第一夾具41和第二夾具42夾持待測試樣品a時使待測試樣品a能夠處於水平位置，機械振動裝置31具體通過升降裝置211可沿豎直方向位置可調地安裝於第一支撐架21。

進一步地，為了使第二夾具42與第一夾具41之間的配合間隙可調，如圖2所示，第二夾具42可以通過二維平移機構221安裝於第二支撐架22、以使第二夾具42在待測試樣品a的延展方向所在平面內位置可調。

更進一步地，第二夾具42安裝於二維平移機構221上設置的支撐臺222上。

在上述各實施方式的基礎上，上述振動信號生成裝置32可以為鎖相放大 器或者函數發生器。

具體地，振動信號生成裝置32與機械振動裝置31之間鍍有功率放大器33，用於在振動信號傳輸至機械振動裝置31之前對振動信號進行放大。

更具體地，上述功率放大器33可以為音頻放大器或者射頻功率放大器。

一種具體實施方式中，由於待測試樣品a的尺寸範圍沒有特殊限定，可以為長度1-5cm、寬度0.5-2cm的長帶狀薄膜，因此，第一夾具41和第二夾具42之間的距離需要與待測試樣品a的尺寸對應，為1cm-5cm。

具體地，上述電信號獲得模塊6可以為鎖相放大器或靜電儀。

如圖2所示，在上述各實施方式的基礎上，支架2還可以包括承載平臺1，第一支撐架21和第二支撐架22沿承載平臺1中承載面的延展面內位置可調地安裝於承載平臺1。

具體地，第一支撐架21與承載平臺1之間可以通過磁性組件磁性連接，和/或，第二支撐架22與承載平臺1之間可以通過磁性組件磁性連接。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明實施例進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。