ZJ-3/4系列壓電系數D33測試儀

講述壓電陶瓷器件中的幾何結構設計與功能拓展

壓電陶瓷因其可實現機械能與電能之間的雙向轉換，被廣泛應用于能量采集器、換能器、機器人等領域。隨著3D打印等增材制造技術的發展，傳統加工難以實現的復雜幾何結構逐步成為可能。本文綜述了壓電陶瓷器件中幾何形狀對能量轉換性能的影響，涵蓋多層結構、彎曲器、螺旋體、殼體、拓撲優化結構及超材料等多種典型設計。為新型壓電器件的設計與制造提供參考。

壓電陶瓷簡介

壓電效應是機械能和電能的耦合，壓電材料在眾多關鍵技術中發揮著重要作用。其正向壓電效應廣泛應用于各類傳感器、超聲設備和能量采集器中；而逆向壓電效應則常用于高精度驅動器及高功率超聲系統。目前，壓電陶瓷市場估值約為20億美元，主要由含鉛陶瓷（如PZT）主導。與單晶材料相比，陶瓷具有更高的可加工性，能夠較容易地制備成多種復雜形狀，因此成為壓電材料研究與應用的核心方向。

壓電設備架構圖

壓電陶瓷形狀的設計

雖然壓電陶瓷長期以來一直以傳統設計的形式使用，例如圓盤、平板、環和管，但制造方法的進步使得具有復雜形狀以及電極和極化網絡的非傳統壓電陶瓷成為可能。

壓電元件的形狀會影響其振動模式，進而影響機電耦合因子的解析表達式，如下圖。長寬比與標準要求不同的壓電元件將產生多種振動模式的重疊響應。這使得在表征材料參數時阻抗譜的解釋變得復雜，并且需要進行額外的數據分析，尤其是當這些元件用作設備中的傳感器時。

幾種諧振模式的機電耦合系數，其中 t 為厚度，d 為直徑，L 為其他尺寸，P 為極化方向

壓電元件的幾何形狀會顯著影響其耦合系數類型與大小。例如，相比板狀或柱狀結構，薄圓盤在相同方向上的耦合系數較低。形狀由圓盤向柱或棒的轉變能夠增強縱向響應。長寬比的變化也會對測得的電荷系數（如 d??）產生影響。實驗中測得的“有效"d??值可能與材料固有的d??不同。例如，Barzegar 等發現 PZT 薄圓盤的 d??值普遍降低約 30%。Stewart 等進一步發現，薄圓盤中的厚度效應使得軟 PZT 的 d??值降低，而硬 PZT 的值則升高。

此外，形狀相關的另一個關鍵因素是曲率。彎曲結構中，由 d?? 分量引起的位移在邊緣處更顯著，并且壓電正應力所產生的彎矩在曲面結構中明顯大于直線結構，從而進一步增強了壓電響應。

ZJ-4 型壓電測試儀（靜壓電系數d33測量儀）,薄膜PVDF壓電系數測試儀
關鍵詞:壓電,陶瓷材料,高分子,d33/d15,15圓管夾具

一、產品介紹：

ZJ-4型壓電測試儀（靜壓電系數d33測量儀）是為測量壓電材料的d33常數而設計的專用儀器，它可用來測量具有大壓電常數的壓電陶瓷，小壓電常數的壓電單晶及壓電高分子材料,PVDF薄膜壓樣品。ZJ-4擴展了D31塊體，D31薄膜拉伸夾具，D15條狀夾具，D15圓管夾具,本儀器是從事壓電材料及壓電元件生產、應用與研究部門的儀器。

二、參考標準:
GB3389.4-82《壓電陶瓷材料性能測試方法 縱向壓電應變常數d33的靜態測試》

GB/T3389.5-1995《壓電陶瓷材料性能測試方法 圓片厚度伸縮振動模式》

GB000?Tj1.1/T3389.4-1982《壓電陶瓷材料性能測試方法 柱體縱向長度伸縮振動模式》

GB/T 3389.7-1986《壓電陶瓷材料性能測試方法 強場介電性能的測試》

GB/T3389.8-1986《壓電陶瓷材料性能測試方法 熱釋電系數的測試

三、產品主要功能：

測量壓電材料的d33常數

測量具有大壓電常數的壓電陶瓷

測量小壓電常數的壓電單晶及壓電高分子材料

測量任意取向壓電單晶以及某些壓電器件的等效壓電d’33常數

薄膜PVDF壓電系數D33測試

D31塊體，D31薄膜拉伸夾具，D15條狀夾具，D15圓管夾具四套夾具

四、主要技術指標

d33測量范圍：

×1擋：  20 至6000pC/N

×0.1擋： 2 至400pC/N。

可以配套PZT-JH10/4/8/12型壓電極化裝置使用

可以配套ZJ-D33-YP15壓電壓片機使用
誤差：×1擋：±2%±1個數字，當d33在100到4000pC/N；

計量標定標準樣尺寸：18mm*0.8mm，老化時間：2-3年（評判壓電測試儀準確性能的重要依據之一）

提供壓電薄膜標準片：20*20MM

電壓保護：放電保護功能  

D31塊體，D31薄膜拉伸夾具，D15條狀夾具，D15圓管夾具
±5%±1個數字，當d33在10到200pC/N；
×0.1擋：±2%±1個數字，(當d33在10到200pC/N)
±5%±1個數字，當d33在10到20pC/N。
分辨率：   ×1擋：1 pC/N；×0.1擋：0.1 pC/N。
尺寸：施力裝置：Φ110×140mm；儀器本體：240×200×80mm。

頻率：110HZ

施加力：0.2 N
重量：施力裝置：約4公斤；  
儀器本體：2公斤。
電源：220伏，50赫，20瓦。