曾思遠(yuǎn)，王煜天

(1.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院工業(yè)工程系，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

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一種壓電陶瓷雙晶片壓痕響應(yīng)的試驗(yàn)研究

曾思遠(yuǎn)1，王煜天2

(1.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院工業(yè)工程系，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

摘要：在對(duì)納米壓痕測(cè)試基本原理及性能特點(diǎn)進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)一種典型壓電雙晶片開(kāi)展了壓痕響應(yīng)測(cè)試分析，測(cè)得了不同最大壓入載荷條件下的載荷-壓入深度關(guān)系曲線，得到了材料的硬度與最大壓入載荷間的關(guān)系。本文對(duì)分析研究壓電材料及其器件的力學(xué)性能具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：壓電雙晶片；納米壓痕；力學(xué)性能；壓痕曲線；硬度

1引言

壓痕測(cè)試技術(shù)又被稱為深度敏感壓痕技術(shù)，是通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)拾取壓頭壓入試驗(yàn)樣品的壓入載荷與壓入深度，從而通過(guò)載荷-壓深曲線測(cè)定材料的彈性模量與硬度等基本參數(shù)[1-3]。由于壓痕測(cè)試技術(shù)具有測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)便靈活、試樣制作簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高、測(cè)試材料力學(xué)參數(shù)種類豐富等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已發(fā)展成為材料力學(xué)性能測(cè)試的主流技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、信息通信、光電子、納米工程、微機(jī)電系統(tǒng)和納米摩擦等領(lǐng)域材料微觀力學(xué)性能的測(cè)試分析中[1]。

2壓痕測(cè)試基本理論方法

壓痕測(cè)試中，通過(guò)儀器內(nèi)置的檢測(cè)單元可直接拾取壓入深度h與壓入載荷P。依據(jù)Oliver和Pharr等人總結(jié)提出的接觸剛度-接觸深度方法，通過(guò)載荷-壓入深度曲線的卸載段可測(cè)定材料的硬度與彈性模量[2-5]。圖1為壓痕測(cè)試曲線的基本構(gòu)成。

圖1　壓痕測(cè)試曲線的基本構(gòu)成[5]

加載階段，試件材料在壓頭作用下首先發(fā)生彈性變形。隨著壓入載荷的增加，材料逐漸發(fā)生塑性變形，使加載曲線呈現(xiàn)出非線性特性。卸載階段，隨著壓頭脫離試件表面，試件材料會(huì)發(fā)生彈性恢復(fù)。圖1中，P和h分別代表壓入載荷與壓入深度，定義Pmax為最大壓入載荷，hmax為對(duì)應(yīng)最大壓深，hf為殘余壓深，S為接觸剛度[2-5]。

可采用以下函數(shù)擬合載荷-壓深曲線的卸載段。

P=k(h-hf)n

(1)

式中，k和n為擬合參數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，定義接觸剛度為曲線卸載起始點(diǎn)的斜率，有：

(2)

接觸深度hc可表示為：

(3)

其中，ε是與壓頭形狀相關(guān)的常量。定義Ap為壓頭與試件材料的接觸區(qū)投影面積，有Ap=f(hc)。

可得試件材料的硬度H，可表示為：

(4)

進(jìn)而可推導(dǎo)出試件材料的彈性模量E為：

(5)

其中，Er為折算模量，是由被測(cè)材料的彈性模量E和泊松比v以及壓頭材料的彈性模量Ei、壓頭材料的泊松比vi綜合確定的。

3壓電雙晶片壓痕試驗(yàn)測(cè)試

壓電材料由于其壓電效應(yīng)，在精密傳感器、智能發(fā)電、噪聲與振動(dòng)控制等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用；又由于其具有逆壓電效應(yīng)特性，在精密驅(qū)動(dòng)定位領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。本文以一種PZT壓電陶瓷雙晶片作為被測(cè)對(duì)象，采用壓痕儀器開(kāi)展了壓痕響應(yīng)測(cè)試分析，壓頭材料為單晶金剛石，以壓入載荷作為控制量。

圖2為最大壓入載荷Pmax=200mN時(shí)，壓電陶瓷雙晶片材料的壓痕響應(yīng)曲線。通過(guò)分析壓痕曲線可發(fā)現(xiàn)，此時(shí)壓電陶瓷雙晶片整體表現(xiàn)出較好的彈塑性特性，結(jié)合前述理論方法可得此時(shí)的接觸深度為1.81μm，整體的硬度為2.49GPa。

圖2　最大壓入載荷200mN時(shí)壓電雙晶片的壓痕曲線

圖3為最大壓入載荷Pmax=500mN時(shí)，壓電陶瓷雙晶片材料的壓痕響應(yīng)曲線。通過(guò)分析壓痕曲線可發(fā)現(xiàn)，此時(shí)壓電陶瓷雙晶片整體表現(xiàn)出較好的塑性特性；隨著壓入載荷的增加，其彈性回復(fù)性顯著削弱。此時(shí)的接觸深度為2.73μm，雙晶片整體硬度為2.73GPa。

圖3　最大壓入載荷500mN時(shí)壓電雙晶片的壓痕曲線

通過(guò)一系列的壓痕測(cè)試，得到不同最大壓入載荷下壓電陶瓷雙晶片整體硬度的測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。從圖4的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，材料硬度隨最大壓入載荷的增加而呈現(xiàn)出波動(dòng)狀態(tài)，其原因主要在于壓電陶瓷薄片與鈹青銅材料粘結(jié)的均勻性差異，導(dǎo)致不同壓入位置材料性能會(huì)產(chǎn)生一定的變化。

圖4　壓電雙晶片硬度值與最大壓入載荷的關(guān)系

4結(jié)論

本文對(duì)壓痕測(cè)試基本原理、優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了分析， 在此基礎(chǔ)上，針對(duì)一種典型壓電雙晶片開(kāi)展了壓痕響應(yīng)的測(cè)試分析，得到了不同最大壓入載荷下的載荷-壓入深度關(guān)系曲線。結(jié)合壓痕測(cè)試基本理論，得到了壓電雙晶片整體的硬度，發(fā)現(xiàn)硬度隨最大壓入載荷的變化呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，結(jié)合對(duì)壓電雙晶片整體結(jié)果的分析，認(rèn)為導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于材料整體不均勻性。

參考文獻(xiàn)

[1]黎明,溫詩(shī)鑄.納米壓痕技術(shù)理論基礎(chǔ)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003,39:142-145.

[2]OLIVER W C, PHARR G M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation measurements[J]. Journal of Materials Research, 1992,7:1564-1583.

[3]DOERNER M F N, NIX W D. A method for interpreting the data from depth-sensing indentation instruments[J].Journal of Materials Research,1986,1:601-609.

[4]PHARR G M, BOLSHAKOV A. Understanding nanoindentation unloading curves[J].Journal of Materials Research,2002,17:2660-2671.

[5]FISCHER-CRIPPS A C. Nanoindentation[M].New York: Springer-Verlag, 2004.

[收稿日期]2016-06-13

[作者簡(jiǎn)介]曾思遠(yuǎn)(1995—)，男，吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院工業(yè)工程系本科生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)性能測(cè)試。

中圖分類號(hào)：TN384

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.005

Study on Indentation Experiment for a kind of Piezoelectric Bimorph

Zeng Siyuan1, Wang Yutian2

(1.Department of Industrial Engineering, Jilin University, Changchun 130000, Jilin, China;2.College of Mechanical and Electric Engineering, Changchun University of Science and Technology,Changchun 130000, Jilin, China)

Abstract：The principle and characteristics of nanoindentation test are analyzed in the paper. Based on the analysis, the nanoindentation experiment for a kind of piezoelectric bimorph is carried out. For different maximum indentation load, the curves for the relationship between load and indentation depth are measured, and the hardness is tested. Based on these works, the relationships between hardness and maximum indentation load are analyzed. The research has important significance for analyzing the mechanical performance of piezoelectric materials and device.

Keywords:piezoelectric bimorph; nanoindentation; mechanical performance; curve of indentation; hardness