表征铁电陶瓷的机电耦合行为——华测仪器系统的应用实践

　　一、为何需要对功能陶瓷进行电致应变回线测试？
 

　　传统结构陶瓷(如氧化铝、氮化硅)主要用于承载或隔热，通常不具备显著的电-力耦合效应。然而，功能陶瓷——特别是铁电/压电陶瓷(如锆钛酸铅 PZT、钛酸钡 BaTiO₃ 等)——在外部电场作用下可产生可逆的微小形变(即应变)，这一特性构成了其在现代智能器件中广泛应用的基础，包括：驱动器，传感器与执行器。
 

　　为了科学评估这类材料在电场激励下的形变能力、响应线性度、滞后行为及可重复性，需开展系统的电场-应变响应测试，其输出即为电致应变回线(Electrostrain Hysteresis Loop)。该回线不仅反映材料的驱动性能，还蕴含丰富的微观机制信息。
 

　　二、电致应变回线的定义与物理意义
 

　　1. 什么是电致应变回线？
 

　　电致应变回线是指应变(S)随外加电场(E)周期性变化所形成的闭合曲线。典型特征包括：
 

　　在正、负电场区域均出现应变峰值；
 

　　整体呈现对称或非对称的双峰状回线结构；
 

　　回线出现“缩颈”(pinching)现象，尤其在弛豫铁电体中更为明显。
 

　　该回线直观揭示了材料在交变电场下的机电响应全过程，是评估其作为驱动或传感材料适用性的关键依据。
 

　　2. 物理机制解析
 

　　电致应变主要来源于两类物理效应：
 

　　逆压电效应(Converse Piezoelectric Effect)：
 

　　存在于已极化的铁电陶瓷中。电场引起晶格畸变，产生近似线性应变，具有方向依赖性。正负电场下应变符号相反。
 

　　电致伸缩效应(Electrostriction)：
 

　　普遍存在于所有介电材料，在弛豫铁电体中尤为突出。应变与电场平方成正比，无极性依赖，正负电场均产生同向应变。
 

　　因此：
 

　　未极化或弛豫型陶瓷(如PMN-PT)：以电致伸缩为主，回线高度对称；
 

　　充分极化的压电陶瓷(如PZT)：逆压电效应叠加电致伸缩，回线常呈非对称形态。
 

　　三、测试方法
 

　　1. 测试系统组成
 

　　一套完整的电致应变回线测试系统包括以下模块：
 

　　高压信号源：电压可达数千伏的交变电场(常用正弦波或三角波)；
 

　　位移/应变传感器：
 

　　激光测振仪——非接触、纳米级分辨率；
 

　　电场监测单元：通过高压探头测量施加电压，并结合样品厚度 ( d ) 计算电场强度 ( E = V/d )；
 

　　同步数据采集系统：实时记录电场与应变信号，生成 S-E 回线。
 

　　2. 样品制备要求
 

　　几何形状：通常为圆片，以确保电场均匀并降低击穿风险；
 

　　电极制备：两面需制备导电电极，常用方法包括银浆烧渗、磁控溅射金或铂；
 

　　极化处理：若需研究逆压电效应，样品须在高温下施加高直流电场进行极化，并静置老化24小时以上以稳定性能。
 

　　四、电致应变回线的关键参数
 

　　应变：材料在给定电场下所能达到的形变量，直接决定驱动位移能力；
 

　　残余应变：电场归零后残留的应变，反映不可逆变形或畴壁钉扎程度；
 

　　回线对称性 ：对称 → 以电致伸缩为主；非对称 → 含显著逆压电贡献；
 

　　缩颈(Pinching)程度： 缩颈越明显，表明极化翻转受阻，常见于弛豫铁电体或多相共存体系；
 

　　回线面积：表征损耗与滞后大小，面积越大，控制精度越低。
 

　　五、应用与意义
 

　　电致应变回线测试在科研与工程领域：
 

　　材料研发与筛选：快速比较不同组分的驱动性能；
 

　　器件建模与设计：为驱动器、微位移平台等提供输入(电场)-输出(应变)关系模型；
 

　　微观机理研究：通过回线演化分析铁电畴翻转动力学、相变行为等；
 

　　可靠性评估：在百万次电场循环后，观察回线退化 ，预测器件寿命。
 

　　电致应变回线测试作为表征铁电/压电陶瓷机电耦合性能的核心手段，不仅揭示了材料在外场作用下的宏观响应，更连接了微观结构与宏观功能。
 

　　华测仪器的铁电测试系统，已具备高电压驱动、纳米级位移检测与多参数同步分析能力，可完成电致应变回线的全周期测量，为功能陶瓷从实验室走向产业化提供坚实支撑。