Акустический контроль нелинейных и нестационарных параметров пьезокерамических систем

• Автор: Цаплев, Валерий Михайлович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 329 с. : ил.

ф ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава I. Исследование последействия в пьезокерамике (обзор)

1.1. Явление последействия и физические механизмы последействия

1.2. Возможности управления концентрацией доменных границ

1.2.1. Влияние механических напряжений на последействие

1.2.2. Влияние электрического поля на последействие

Глава II. Частотная дисперсия упругих свойств

% 2.1. Экспериментальные данные

2.2. Модель колебательного движения и дисперсионные соотношения

Глава III. Нелинейные свойства пьезокерамики

3.1. Текстурные нелинейные свойства

3.2. Воздействие внешних факторов на анизотропию пьезокерамики
3.3. Динамические нелинейные свойства
3.4. Оценка энергии взаимодействия доменных стенок с дефектами
3.5 Применимость закона Рэлея
3.6. Нелинейность пьезомодуля вне области Рэлея
(• 3.7. Частотная зависимость пьезомодуля
3.8. Фазовый угол пьезоэлектрических потерь и петля гистерезиса
Глава IV. Факторы, не связанные с движением доменных границ
41. Оценка вклада движения доменных границ
4.1. Влияние точечных дефектов
4.3. Влияние межзеренных и межфазных границ
4.4. Влияние микропор и микротрещин
4.5. Влияние одноосного сжатия
Глава V. Методы исследования упругих и неупругих свойств
^ пьезокерамических материалов под нагрузкой
5.1. Статические методы
5.2. Динамические методы
5.3. Методы исследования в килогерцовом диапазоне частот.'
5.4. Метод составного вибратора
5.5. Применение метода составного вибратора под нагрузкой
5.6. Основные соотношения метода составного вибратора
5.7. Измерительная аппаратура с составным вибратором
5.7.1. Аппаратура с четырехкомпонентным составным вибратором
5.7.2. Непосредственное измерение длины упругой волны в образце
5.8. Способы возбуждения вибратора и регистрация колебаний
5.8.1. Метод двух преобразователей
5.8.2. Метод одного преобразователя
5.9. Методы измерений амплитудно-зависимых упругих параметров пьезокерамических материалов
5.9.1. Метод замещения
5.9.2. Метод спада свободных колебаний

5.9.3. Калибровка аппаратуры и оценка точности измерений
5.9.4. Измерение амплитудно-зависимых параметров
при одновременном воздействии статического сжатия
Глава VI. Исследование упругой ползучести в пьезокерамике
6.1. Основные теоретические соотношения
6.2. Неустановившаяся ползучесть
6.3. Экспериментальные результаты
Заключение
Литература
Физические процессы, происходящие в пьезокерамических материалах, определяют работу многочисленных классов электромеханических преобразователей. Эти преобразователи могут применяться в акустике, гидроакустике, средствах наблюдения за окружающей средой, приборах неразрушающего контроля, дефектоскопии, автоматики, и т.д. Поэтому исследования физических свойств различных пьезокерамических материалов, начавшиеся более полувека назад с открытием сегнетоэлектричества в титанате бария, за прошедшее с этого время нарастали лавинообразно, и к настоящему времени число публикаций, посвященных свойствам этих материалов, исчисляется десятками тысяч.
Тем не менее, полной ясности относительно физических механизмов, определяющих поведение упругих свойств пьезокерамических материалов, нет. Исследования зависимости упругих и пьезоэлектрических параметров и внутреннего трения от механических напряжений очень немногочисленны, что объясняется методическими и экспериментальными трудностями. В то же самое время этот вопрос представляет значительный интерес, так как условия эксплуатации пьезопреобразователей часто связаны с действием больших механических нагрузок. Из имеющейся литературы, а также из более ранних работ автора известно, что все параметры пьезокерамики - упругие, неупругие, пьезоэлектрические и диэлектрические - проявляют сильную нелинейность. Природа этой нелинейности в принципе ясна, однако детальные исследования проводились, в основном, в отношении диэлектрических и пьезоэлектрических свойств. Упругие динамические нелинейные свойства и нелинейность внутреннего трения мало изучены, что также объясняется экспериментальными трудностями.
Между тем, именно данные о нелинейности упругих параметров необходимы для реализации всех возможностей пьезокерамических материалов при разработке пьезопреобразователей, работающих в условиях больших статических, динамических и ударных нагрузок. Нелинейные свойства дают также возможность построения целого нового класса пьезопреобразователей - параметрических преобразователей, работающих на нелинейном эффекте.
Создание пьезоэлектрических текстур, управляемых механическими напряжениями, кажется весьма привлекательным также и с научной точки зрения, поскольку представляет собой удобный способ изучения особенностей пьезоупругих взаимодействий. Иначе говоря, изучение поведения динамических модулей упругости и внутреннего трения под действием одноосного сжатия является перспективным методом в физике твердого тела.
Все сказанное выше в полной мере относится также и к исследованию ползучести в пьезокерамике. Несмотря на огромное число публикаций, этот вопрос остается малоисследованным. Известно, что пьезокерамика обладает ярко выраженным эффектом последействия. Этот эффект многократно опи-

Релаксационный характер убывания амплитуды с частотой показывает,
что в первом приближении членом тх можно пренебречь по сравнению с влиянием члена, определяющего затухание. Далее, поскольку стенка перемещается на большие расстояния, можно заменить периодическую функцию огибающей:

рх = -с(х~ р)± А — + ВУо^тсос,
(2.6)
причем знак зависит от полупериода.
Кривые, полученные путем решения этого уравнения, приведены на рис.2-2. Видно, что они достаточно хорошо согласуются с экспериментальными кривыми, приведенными на рис. 2-1. При этом значение констант
С = А— можно вывести из формы статических гистерезисных петель, коэффициент В можно оценить численно, а коэффициент Д выбран так, чтобы диапазон частот релаксации согласовывался с экспериментом.
р.мк
Рис. 2-2. Частотные зависимости смещения доменной стенки, рассчитанные по уравнению (2.6), при различных значениях амплитуды переменного напряжения. Данные Я. Фоусека и Б. Бржезины [2-6]
Оценивая уравнения движения 90-градусной и 180-градусной доменных границ, можно отметить, что они аналогичны. В уравнение входит периоди-
. 7Г . 7г( X — р)
ческии член А-ят- -, который в первом случае (т.е. для случая 90В И
градусной границы) представляет собой силу, необходимую для преодоления потенциального рельефа точечных дефектов. Если граница колеблется в своей потенциальной яме (в поле малых переменных напряжений), то этот член будет, очевидно, линейной функцией смещения границы.