非线性超声相控阵无损检测系统及实验研究

相控阵超声无损检测技术近年来在无损检测领域得到了越来越广泛的应用。但当前相控阵超声检测基于传统线性超声,对于材料或结构的微缺陷、微裂纹等缺陷不敏感。研究基于超声的非线性效应的非线性超声无损检测技术对于克服线性超声相控阵技术的不足具有积极的意义。本文设计和开发了基于非线性超声相控阵的无损检测系统,并利用超声检测的标准试件对该系统的性能进行了检验。对比测试了常规线性超声方法、基于滤波的非线性超声方法以及基于反相脉冲的非线性超声方法对于钨丝线靶、超声仿体以及碳钢试块的检测效果。测试结果表明,非线性超声相控阵无损检测技术与传统线性超声相控阵无损检测相比具有空间分辨力高、缺陷分辨力强等优点,而基于反相脉冲的非线性相控阵超声无损检测在空间分辨力上比基于滤波的非线性超声检测方法又有比较显著的提高。     

Precise,Long-Time Displacement Self-Sensing of Piezoelectric Cantilever Actuators Based on Charge Measurement Using the Sawyer–Tower Circuit

Previous studies show that near linearity exists between displacement and charge of piezoelectric actuators, while studies under higher fields are lacking and long-time displacement self-sensing is still a challenge. Here we indicate that precise, long-time displacement self-sensing can be accomplished using the Sawyer–Tower circuit, where a high-impedance electrometer and a non-leaky capacitor are used to measure the charge. Calibrating the results on a piezoelectric unimorph cantilever shows that the displacement resolution of charge self-sensing is ~3 nm, much better than that of ~40 nm for the calibrating laser sensor. Testing results under a unipolar field up to 2 kV/mm with different periods indicate that a direct proportional relationship holds between charge and displacement with the maximum error of 4.65%. The self-sensing time can be over 20 min or even longer if a higher-impedance electrometer is used.     

基于可逆畴变的压电圆环多层致动器应变响应研究

压电致动器在现代工业中发挥着非常重要的作用。然而,目前应用的压电致动器均是基于线性压电效应,最大应变一般只有0.1-0.15%,实现大的致动应变一直是该领域学者追求的目标。本文中,我们提出了两种经过特殊设计的基于可逆非180°电畴翻转的PZT圆环多层致动器,一种是径向极化、部分电极（RPPE）的4层圆环,另一种是周期性正交极化（POP）的4层圆环,以期能够实现大的致动应变,而且圆环构型层数增加时也不容易发生失稳等问题。实验结果表明,在相同的驱动电场（2kV/mm,0.1Hz）下,4层RPPE最大致动应变为0.27%,约为普通PZT圆环的2倍,但表面变形很不均匀。相比之下,4层的POP圆环致动器的最大输出应变为0.36%,是普通PZT圆环的2.7倍。这两种致动器的致动应变都是随着频率的增加而减小, RPPE致动器在超过1Hz后稳定在0.19%, POP致动器在超过5Hz后稳定在0.2%。而且, POP圆环致动器重复性能很好,经过2万次致动循环后致动应变几乎不变。这种POP PZT多层圆环致动器具有结构稳定、输出应变大等优点,在致动领域具有很好的应用前景。     

固体的弹性模量和内耗测量方法研究进展

弹性模量和内耗是固体材料的基本力学性质, 其测量的准确性和便捷性对工业生产和科学研究都很重要. 本文回顾了近一百年来固体材料弹性模量和内耗的测量方法, 主要分为四类: 准静态方法、低频法、共振法和波传播法. 首先对每类方法的测量原理进行了简单介绍及总体评价. 接着对几种共振方法, 包括自由梁共振法、脉冲激励法、超声共振谱方法和压电超声复合振动技术(PUCOT)进行了详细介绍和评价. 然后, 重点介绍了本课题组最新提出的基于机电阻抗的模量内耗测量方法(称之为M-PUCOT或Q-EMI), 它可以同时、准确、快速地测量杨氏/剪切模量及相应内耗. 最后, 对这种新型弹性模量/内耗测量方法的意义和应用前景进行了讨论和展望.      

PZT压电陶瓷高温变形与失效的实验研究

随着工业设备集成化进程的加快,PZT压电陶瓷获得越来越广泛的应用,其工作环境也越来越复杂.例如,新一代节能环保型发动机中起致动作用的压电陶瓷叠层驱动器,工作时要承受力-热-电载荷的共同作用.因此,研究PZT压电陶瓷在高温下的变形与失效行为,对工业设计具有重要的指导意义.为此,本文利用自行搭建的压电陶瓷高温下电滞回线、蝶形回线和应力退极化曲线的测试装置,研究了PZT压电陶瓷在不同温度下的电致变形和应力退极化行为,得到了材料在不同温度下的电滞回线、蝶形回线、应力电位移曲线和应力应变曲线.实验结果表明,随着温度的升高,由电滞回线测得的剩余极化逐渐减小,蝶形回线逐渐变扁;由应力退极化产生的剩余极化和剩余应变也逐渐减小.极化量的改变是由材料的热释电效应(自发极化随温度的升高而减小)造成的,而应变量的变化是由晶胞畸变随着温度升高而减小所致.     

基于可逆畴变的压电圆环多层致动器应变响应研究

压电致动器在现代工业中发挥着非常重要的作用。然而，目前应用的压电致动器均是基于线性压电效应，最大应变一般只有0.1-0.15%，实现大的致动应变一直是该领域学者追求的目标。本文中，我们提出了两种经过特殊设计的基于可逆非180°电畴翻转的PZT圆环多层致动器，一种是径向极化、部分电极（RPPE）的4层圆环，另一种是周期性正交极化（POP）的4层圆环，以期能够实现大的致动应变，而且圆环构型层数增加时也不容易发生失稳等问题。实验结果表明，在相同的驱动电场（2kV/mm，0.1Hz）下，4层RPPE最大致动应变为0.27%，约为普通PZT圆环的2倍，但表面变形很不均匀。相比之下，4层的POP圆环致动器的最大输出应变为0.36%，是普通PZT圆环的2.7倍。这两种致动器的致动应变都是随着频率的增加而减小， RPPE致动器在超过1Hz后稳定在0.19%， POP致动器在超过5Hz后稳定在0.2%。而且， POP圆环致动器重复性能很好，经过2万次致动循环后致动应变几乎不变。这种POP PZT多层圆环致动器具有结构稳定、输出应变大等优点，在致动领域具有很好的应用前景。     

Effect of Lateral Pressure on the Non-Linear Behaviour of PZT Ceramics

The non-linear behaviour of PZT-5 ceramics under coupled electrical-mechanlcal loading (E3 and σ11) is experimentally studied. The effect of different levels of compressive stress on the electrical-mechanical response is examined. With the increase of compressive stress, shapes of the electric hysteresis loop and the butterfly curve are slightly changed, while the reversed butterfly curve (ε11 vs E3) varies significantly, and the value of the piezoelectric constant d31 decreases evidently. Based on these experimental results, a simple design is proposed to improve the sensitivity and reliability of the submarine detectors and sensors.     

双模态振幅调制原子力显微术相互作用区转变研究

双模态振幅调制原子力显微术测试或成像过程中存在引力区和斥力区两种相互作用区.开展双模态振幅调制原子力显微术针尖样品相互作用区转变的研究,对于在特定作用区内成像的参数设置、相互作用区范围的控制,以及对成像结果的正确理解和解释尤为重要.将有限差分法和同相正交法相结合,采用数值模拟方法研究了探针模态自由振幅大小设定、样品力学性能变化以及模态激励频率的设置对双模态振幅调制原子力显微术相互作用区转变的影响.研究结果表明,探针模态自由振幅之和越大,则引力区向斥力区转变时的临界设定点越大,使探针位于引力区的设定点的范围越小.样品的弹性模量越大、黏度系数越小,探针在接近样品过程中引力区向斥力区转变发生越早,即引力区设定点的范围越小.偏离自由共振频率对探针进行激励时,引力区的范围均小于以自由共振频率激励时的引力区范围,探针运动状态的突变并不一定对应相互作用区的转变,且不能将相位值是否高于或低于90°作为判定探针位于引力区或斥力区的依据.     

双模态振幅调制原子力显微术相互作用区转变研究

双模态振幅调制原子力显微术测试或成像过程中存在引力区和斥力区两种相互作用区. 开展双模态振幅调制原子力显微术针尖样品相互作用区转变的研究, 对于在特定作用区内成像的参数设置、相互作用区范围的控制, 以及对成像结果的正确理解和解释尤为重要. 将有限差分法和同相正交法相结合, 采用数值模拟方法研究了探针模态自由振幅大小设定、样品力学性能变化以及模态激励频率的设置对双模态振幅调制原子力显微术相互作用区转变的影响. 研究结果表明, 探针模态自由振幅之和越大, 则引力区向斥力区转变时的临界设定点越大, 使探针位于引力区的设定点的范围越小. 样品的弹性模量越大、黏度系数越小, 探针在接近样品过程中引力区向斥力区转变发生越早, 即引力区设定点的范围越小. 偏离自由共振频率对探针进行激励时, 引力区的范围均小于以自由共振频率激励时的引力区范围, 探针运动状态的突变并不一定对应相互作用区的转变, 且不能将相位值是否高于或低于90°作为判定探针位于引力区或斥力区的依据.      

多模态原子力显微术研究进展

材料纳米尺度的各种性能中，纳米力学性能是纳米材料和器件服役所需要保证的最基本性能。因此，发展可靠的定量化纳米力学测试技术就显得尤为关键。原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)作为纳米力学测试的重要平台，目前广泛应用于材料纳米尺度形貌和力学性能成像。作为原子力显微术的前沿应用模式之一，多模态原子力显微术通过同时激励探针的两个或多个振动模态对样品进行测试或成像，可实现对被测样品高分辨率、高灵敏度、定量化和无损的纳米力学快速成像及检测，具有极其广泛的应用前景。围绕多模态原子力显微术，首先介绍了多模态原子力显微术的基本成像原理和力学模型基础。随后，综述了多模态原子力显微术探针动力学以及成像技术相关研究的主要进展。然后，对多模态原子力显微术的几类典型应用进行了总结和评述。最后，对多模态原子力显微术未来可能的研究方向进行了展望。