“材料物理性能”實驗指導書目錄實驗一無機材料線膨脹系數(shù)的測定 1實驗二電介材料的室溫絕緣電阻測定 6實驗三材料的介電常數(shù)溫度特性測試 12實驗四壓電材料諧振峰與反諧振峰的測定 17實驗五壓電材料的壓電常數(shù)d33實驗測定 19實驗一無機材料線膨脹系數(shù)的測定【實驗目的】掌握利用電感微位移器測定材料線膨脹系數(shù)的方法。【實驗儀器】線膨脹系數(shù)測定儀，計算機測試軟件，游標卡尺。【實驗原理】1．材料線膨脹系數(shù)的測定及其測量方法固體的長度一般是溫度的函數(shù)，在常溫下，固體的長度L與溫度t有如下關系：L＝L0（1＋αt）（1－1）式中L0為固體在t＝0℃時的長度；α稱為線脹系數(shù)。其數(shù)值與材料性質(zhì)有關，單位為℃－1。設物體在t1℃時的長度為L，溫度升到t2℃時增加了ΔL。根據(jù)（1－1）式可以寫出L＝L0（1＋αt1）（1－2）L＋ΔL＝L0（1＋αt2）（1－3）從（1－2）、（1－3）式中消去L0后，再經(jīng)簡單運算得SKIPIF1<0（1－4）由于ΔL<<L，故（1－4）可以近似寫成SKIPIF1<0（1－5）顯然，固體線脹系數(shù)的物理意義是當溫度變化1℃時，固體長度的相對變化值。在（1－5）式中，L、t1、t2都比較容易測量，但ΔL很小，一般長度儀器不易測準，本實驗中用電感位移傳感器進行精確測量。2．測量裝置簡介測試儀由電阻爐、加載傳感器裝置、滑移小車、基座好控制箱五部分組成，如圖所示。電爐升溫后爐膛內(nèi)的樣品受熱發(fā)生膨脹，頂在試樣頂端的測試桿產(chǎn)生與之等量的膨脹量（如果不計系統(tǒng)的熱變形量的話），這一膨脹量由電感位移傳感器及儀表精確測量出來，并由儀表顯示并送計算機處理，計算機數(shù)據(jù)處理后顯示δ和α值是通過自動系統(tǒng)補償計算結(jié)果，也可通過智能儀表顯示的位移絕對值，人工記錄，并按原理公式計算SKIPIF1<0圖1-1熱膨脹測試儀為消除系統(tǒng)熱變形量對測試結(jié)果的影響，在計算中需加上相應的補償值才是試樣的真實膨脹值。【實驗內(nèi)容】1、將基座安放水平，調(diào)整爐膛的位置，使爐膛與試樣管相對運動自如，防止相互擦、碰。調(diào)整、移動爐膛時要緩慢，以防損壞爐膛和試樣。將爐膛固定在小車上，再調(diào)整定位腳在導軌上的位置，使小車靠住定位腳，固緊定位腳。這樣能保證測試時試樣處于爐膛均溫區(qū)之中。2、當測試桿和試樣接觸后位移顯示可能不指示零位，可以通過調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕，使位移顯示“2000”位。計算機可以自動記錄零點位移，作為起始位移，參與運算。3、檢查各部分的連線，以及智能儀表設置是否正常、實驗的基本要求、各參數(shù)測試要求、測試工藝要求等。確認各儀表各性能正常，將冷卻水通入導支套及水冷端蓋。爐溫在700℃以前，通入導支套及端蓋的冷卻水流量要小些，使導支套出水溫度在室溫附近即可。注意：連接電爐的電線端子一定要接觸良好，并將儀表的地線接入實驗場所地線（或水管），減少系統(tǒng)之感應電以保護計算機可靠工作及數(shù)據(jù)的正常傳送。開始試驗時即通氬氣保護。4、打開電源，檢查智能表518P基本參數(shù)的設置，連接計算機使計算機系統(tǒng)處于程序運行用戶界面，按操作步驟進行。實驗開始，出現(xiàn)曲線運行界面。然后按“啟動”使系統(tǒng)進入測試狀態(tài)。此時計算機顯示時間為實驗時間（可人工記錄時間），根據(jù)用戶要求可以設置恒溫區(qū)段，完成實驗后進行試樣結(jié)果分析，可對測試數(shù)據(jù)自動分析，亦可人工分析，并輸出實驗結(jié)果報告。5、膨脹系數(shù)計算方法：試樣升溫達到測試溫度后，根據(jù)顯示結(jié)果可以實現(xiàn)人工計算機和計算機自動處理。計算機測試的結(jié)果為整個過程溫度點的試樣膨脹系數(shù)，根據(jù)輸出結(jié)果，選擇所需要的點。6、膨脹值數(shù)字顯示方式的調(diào)整與校正①零點：膨脹值采用智能數(shù)字式儀表進行顯示，應將518P顯示儀表按其說明調(diào)整好的所需參數(shù)和量程。開啟儀表電源，并接好各線，所顯示不在“0”位，可通過調(diào)零旋鈕使其回到零點。②量程校正將50㎜長兩端磨平的圓棒放入試樣區(qū)，測試桿頂緊圓棒，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使膨脹值指示儀表至2000左右。【實驗結(jié)果與分析】線膨脹百分率計算公式：SKIPIF1<0平均線膨脹系數(shù)計算公式：SKIPIF1<0兩公式中：L：試樣室溫時的長度（um）；Kt：測試系統(tǒng)t時補償值um△Lt：試樣加熱至t℃時測得的線變量即記錄值（um）t：試樣加熱溫度℃；t0：試樣加熱前的室溫℃計算機和儀表顯示的位移單位均為um。儀器的補償值Kt需要用戶自己預先測定和計算，可以通過計算機系統(tǒng)專用程序測試完成。求補償值Kt方法是：1000℃以下用石英標樣；1000℃以上用高純剛玉標樣作試樣，進行升溫測試，記錄出標樣測試曲線，曲線中包括了標樣、試樣管及測試桿的綜合膨脹值。而補償值Kt應只是試樣管及測試桿在相應溫度下的綜合膨脹值，所以應將標樣在相應溫度下的膨脹值，從測試數(shù)據(jù)中相應溫度下的膨脹量中扣除后剩下的膨脹量即為儀器在相應溫度下的補償Kt。而標樣的膨脹系數(shù)為已知的，計算機系統(tǒng)建立相應的數(shù)據(jù)庫。【思考題】1．本實驗所用儀器的測試原理是什么？2．分析本實驗中各物理量的測量結(jié)果，哪一個對實驗誤差影響較大？3．熱膨脹系數(shù)對材料的應用有何重要意義？試討論微電子電路基板材料、釉面磚、與金屬封接的玻璃材料和測量標尺材料對熱膨脹特性的要求。實驗二電介質(zhì)材料的室溫絕緣電阻測定【實驗目的】1.通過測試電阻率，了解陶瓷材料的電學特性；2.了解超高值絕緣電阻測試儀(簡稱高阻儀)的基本原理，掌握使用高阻儀測定陶瓷材料的體積電阻，表面電阻和絕緣電阻的方法；3.分析影響材料絕緣電阻測試結(jié)果的因素。【實驗原理】電阻和電阻率重要的電學基本量，也是電子材料和元器件的主要電氣參數(shù)之一。準確的測量對于制造和使用以及性能研究都有極其重要的意義。通常所說的電阻值是指直流電阻值，即在電子元器件或材料兩端施加一直流電壓U與其通過的穩(wěn)態(tài)電流I之比值，即R=U/I（2－1）作為絕緣材料的電阻，稱為絕緣電阻。電流I分為表面電流IS與體積電流IV,實際電阻由兩部分構(gòu)成，表面電阻RS和體積電阻RV,即RS=U/ISRV=U/IV（2－2）對于材料，可以分別測得表面電阻和體積電阻，這對研究材料的性能是極為重要的。但是阻值大小并不能反映出材料本身的特性，因而不能作為材料的電性能參數(shù)，應引入電阻率概念。電阻率，就是單位長度上所承受的直流電壓（即直流電場強度E）與單位面積所通過的穩(wěn)態(tài)電流（即電流密度J）之比，即：ρ＝E/J（2－3）因此，體積電阻率ρV就是沿著體積電流方向的直流電場強度與穩(wěn)態(tài)電流密度之比，即ρV＝EV/JV（2－4）對于平板試樣，則ρV＝EV/JV=SKIPIF1<0=SKIPIF1<0=RVSKIPIF1<0=RVSKIPIF1<0（2－5）式中A－電極面積（M2）L－電極間的距離，即試樣的厚度（m）注意：由于表面電阻率在很大程度上取決于材料的表面狀態(tài)，當表面吸附半導體雜質(zhì)和水份時，將明顯地影響表面電阻率的大小，而且測量表面電阻很難完全避免體積電流的影響，通常都以體積電阻率作為衡量材料導電性能的參數(shù)，而不過多關注材料的表面電阻率。常見的電阻測量方法：一中阻的測量中阻的測量是電阻測量的基礎，其測量方法主要有：電流電壓測量法，電橋測量法，補償測量法，其中以電橋測量法為主。這是因為電流電壓法，借助于伏特表，安培表測量，雖然使用方便，測量簡單，成本低廉，但是測量準確度不高，故只在要求不高的場合中使用。電橋法測量最突出的優(yōu)點是精度較高。目前使用的電橋種類很多，如箱式電橋，滑線式電橋；平衡電橋，不平衡電橋；直流電橋，交流電橋等。二高阻的測量高阻和超高阻的測量實質(zhì)上是微小電流的測試問題，解決了微小電流的測試技術，就可以解決絕緣介質(zhì)材料的電阻率，高阻半導體元器件電阻率和精密高電阻元件的測試。高阻和超高阻測量除了阻值不十分高場合下仍可采用電橋法測量外，還可以用下列方法測量：１自放電法自放電法是將絕緣材料試樣或電容器充放電達電源電壓U0, 然后切斷電源，讓電荷通過試樣或電容器本身絕緣電阻放電，測量試樣兩端的電壓變化，從而確定其絕緣電阻值。２高阻計法電阻率的測試可用高阻計或檢流計。由于陶瓷材料的絕緣電阻高，在1011歐姆以上，而檢流計一般只能測量1012W以下的絕緣電阻，因此，大多采用高阻計。高阻計法是利用電子放大原理，將通過試樣的微小直流電流經(jīng)放大后再測量。目前己做成專用的測量儀器，通稱為高阻計。高阻測試儀測試原理如圖所示。測試時，被測試樣與高阻抗直流放大器的輸入電阻串聯(lián)并跨接于直流高壓測試電源上（由直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生）。高阻抗直流放大器將其輸入電阻上的分壓訊號經(jīng)放大輸出至指示儀表，由指示儀表直接讀出被測絕緣電阻值。儀器作為微電流測量時，僅利用高阻抗直流放大器，將被測微電流訊號進行放大，由指示儀表直接讀出。圖2-1高阻計測試原理圖在測量時，為了把體積電流與表面電流分開，測得體積電阻與表面電阻，把試樣上的電極做成環(huán)形、測量電極和高壓電極組成三電極系統(tǒng)，試樣和電極的尺寸參見介電常數(shù)與介電損耗的測試。將試樣分別接入測試線路，便可測出體積電阻和表面電阻。影響體積電阻率和表面電阻率測試的主要因素是溫度和濕度、電場強度、充電時間及殘余電荷等。溫度和濕度：固體絕緣材料的絕緣電阻率隨溫度和濕度的升高而降低，特別是體積電阻率隨溫度改變而變化非常大。因此，電瓷材料不但要測定常溫下的體積電阻率，而且還要測定高溫下的體積電阻率，以評定其絕緣性能的好壞。由于水的電導大，隨著濕度增大，表面電阻率和有開口孔隙的電瓷材料的體積電阻率急劇下降。因此，測定時應嚴格地按照規(guī)定的試樣處理要求和測試環(huán)境條件進行。電場強度：當電場強度比較高時，離子的遷移率隨電場強度增高而增大，而且在接近擊穿時還會出現(xiàn)大量的電子遷移，這時體積電阻率大大地降低。因此在測定時，施加的電壓應不超過規(guī)定的值。充電時間：由于介質(zhì)有吸收現(xiàn)象，當直流電壓加于試樣后，通過試樣的電流隨時間的增加而逐漸減少，漸近一極限值——漏導電流。在測定時，其讀數(shù)時間應根據(jù)它的“電阻—時間”曲線來確定，通常讀數(shù)時間規(guī)定為一分鐘。殘余電荷：試樣在加工和測試等過程中，可能產(chǎn)生靜電，電阻越高越容易產(chǎn)生靜電，影響測量的準確性。因此，在測量時，試樣要徹底放電，即可將幾個電極連在一起進行短路。【實驗器材和裝置】ZC36型高阻計是一種直流式的超高電阻計和微電流兩用儀器。儀器的最高量限1017Ω電阻值和10-14A微電流。適用于科研、工廠、學校、對絕緣材料、電工產(chǎn)品、電子設備以及元件的絕緣電阻測量和高阻兆歐電阻的測量，也可用于微電流測量。圖2-2ZC36型高阻計【實驗步驟】一、準備工作1．接通電源前的準備工作：(1)查電源聯(lián)系是否正確，試電壓選擇開關置于放電位置，測試電壓旋鈕放在最低檔（10V擋）。(2)率旋鈕放在最低量程上，將電表“+”、“一”極性開關放在“+”的一邊。輸入短路開關應放在短路位置，使放大器輸入端短路。(3)電表機械零點處于零出。2．接通電源及預熱將電源開關打開，預熱15分鐘。（若用高倍率擋時應預熱1小時），儀器連接線接好，操作儀器，使高阻表處于備用狀態(tài)。儀器的連接：(1)整“調(diào)零”旋鈕，使電表指針在“0”點。(對歐姆刻度即“∞”點)(2)電纜線一端接在高阻儀面板上的輸入插座中，另一端接至電極箱一側(cè)的測量插座中并旋緊固定套。(3)測試電源線一端接在高阻儀面板上的測試電壓接線柱Rx上（紅色），另一端接至電極箱一側(cè)的測試電壓接線柱上（紅色）。(此時高阻儀面板上的“放電一測試”開關應置于“放電位置”。)(4)將接線地線一端接至高阻儀面板上的接地端鈕上，另一端接到電極箱的接地端鈕上，然后一并接地。二、測試樣品的連接將充分放電及干燥處理的試樣(即當試樣末加壓時，應在儀器上沒有明顯的指示值)的三個電極引線分別接于電極箱內(nèi)相應的三個接線柱上，關閉電極箱蓋。三、測量體積電阻值Rv：1將Rv、Rs轉(zhuǎn)換開關旋至Rv處。2將電壓選擇開關置于所需要的測試電壓位置上，將“倍率選擇”旋鈕選至所需的位置。(在不了解測試值的數(shù)量級時，倍率應從低次方開始選擇。3將“放電、測試”開關放在“測試”位置，檢查電壓應選擇的位置，打開輸入短路開關(即按鈕抬起來)，讀取加上測試電壓1分鐘，指示電表顯示的電阻值。讀數(shù)完畢，將“倍率”打回“10-1”檔。四、測量表面電阻值Rs：1將Rv、Rs轉(zhuǎn)換開關旋至Rs處。2將電壓選擇開關置于所需要的測試電壓位置上，將“倍率選擇”旋至所需要的位置。(在不了解測試值的數(shù)量級時，倍率應從低次方開始選擇。)3將“放電、測試”開關放在“測試”位置，檢查應選擇的位置，打開輸入短路開關(即按鈕抬起來)，讀取加上測試電壓60秒，指示電表顯示的電阻值。讀數(shù)完畢，將“倍率”打回“10-1”檔。4接入短路開關，將“放電、測試”開關打回到“放電”位置。更換試樣，重復以上操作，待全部試樣測量完畢后，切除電源，除去各種連接線，按要求整理、放置好儀器，報告指導教師。待教師檢查完畢后，方可離開。五、數(shù)據(jù)及處理：1將測得的數(shù)據(jù)填入下列表格的相應格中，用所測數(shù)據(jù)分別計算各試樣的體積電阻率ρV，及表面電阻率ρS，并填入表內(nèi)。2根據(jù)實驗試分析產(chǎn)生誤差的原因，及采取哪些縮小誤差的措施。表2-1實驗數(shù)據(jù)記錄表【注意事項】為保證實驗結(jié)果可靠性，實驗樣品數(shù)量應不少于3個。實驗過程中注意不要觸摸測試儀的電壓輸出輸入端以防觸電。環(huán)境條件如溫度﹑濕度﹑氣壓，以及樣品表面不清潔等都會對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定影響。絕緣電阻測試過程中應保持樣品表面清潔干燥、避免用手直接觸摸引起污染，導致電阻測試誤差。【思考題】進行材料電阻率測定有何實際意義？如何區(qū)分導體、半導體和絕緣體？哪些因素對材料的電阻率有影響？嘗試分析測定時間、溫度、濕度、測定電壓、接觸電極材料、間隙寬度和測試回路中標準電阻對測定的影響。試討論材料的電阻率與介電損耗之間的內(nèi)在聯(lián)系。實驗三材料的介電常數(shù)溫度特性測試【實驗目的】1、通過實驗掌握瓷介電容器介電常數(shù)的溫度特性；2、測量幾種介質(zhì)材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切（tand）與溫度的關系，從而了解它們的ε、tand的溫度特性。【實驗儀器】TH2828S型寬頻LCR測量儀、溫度控制器、低溫測試溫箱、計算機、電介質(zhì)陶瓷樣品圖3-1低溫介電溫度特性測試系統(tǒng)【實驗原理】1、BaTiO3的結(jié)構(gòu)與自發(fā)極化BaTiO3的相變：三方--斜方--四方--立方--六方

圖3-2BaTiO3的相變及介電常數(shù)的溫度特性關系自發(fā)極化產(chǎn)生的原因rO2-+rTi4+=1.33+0.64=1.97?，而rBa2+大，故氧八面體間隙大，Ti4+－O2-間距大（2.005?），因而Ti4+離子能在氧八面體中震動。當T>120℃，Ti4+處在各方幾率相同（偏離中心，幾率為零），對稱性高，順電相。當T<120℃，Ti4+由于熱漲落，偏離一方，形成偶極矩，按氧八面體三組方向相互傳遞、偶合，形成自發(fā)極化電疇。在鐵電體中ε的大小正比于單位電場所轉(zhuǎn)向的自發(fā)極化矢量也就是說，自發(fā)極化強度Ps愈大，電疇愈容易為外電場所定向，其ε愈大。BaTiO3陶瓷的ε與材料的溫度，外電場，頻率有關，不論90°疇180°疇與外加電場，溫度的高低有關。在居里點附近純BaTiO3瓷的介電常數(shù)有急劇變化的特性，其變化率甚至可達4-5個數(shù)量級，而當溫度高于居里點Tc后，隨著溫度升高，介電常數(shù)下降，介電常數(shù)隨溫度的變化遵從居里-外斯定律：（4－1）式中：t0-特性溫度，它一般低于居里溫度（對BaTiO3來說約低10℃～11℃）；k-居里常數(shù)（對BaTiO3來說，k=1.6～1.7×105℃）；ε0-表示電子極化對介電常數(shù)的貢獻，一般情況下，ε0所占比重很小，可忽略。從式1可以看出在居里點以上，隨溫度T的升高，介電常數(shù)ε迅速下降：距離居里溫度愈近，下降的程度就愈大。造成這種現(xiàn)象的原因主要是BaTiO3晶體結(jié)構(gòu)所引起的：以BaTiO3為代表的鐵電晶體是一種ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。A位為低價、半徑較大的Ba離子，它和氧離子一起按面心立方密堆；B位為高價、半徑較小的Ti離子，處于氧八面體的體心位置。依據(jù)斯萊特-德文希爾理論：當溫度低于1460℃高于120℃時BaTiO3屬于立方晶系，所有的氧八面體均以頂角相連，構(gòu)成了三維氧八面體族。這種具有對稱性較高的立方BaTiO3并不具鐵電性，屬于一般的順電介質(zhì)。當溫度降至120℃以下時，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆綄ΨQ，c軸略有伸長，a,b軸略有縮短。c/a≈1.01，因此具有沿c軸自發(fā)極化的鐵電性。這是由于在鈦氧八面體中，正負電荷的作用中心產(chǎn)生位移，出現(xiàn)電偶極矩，按氧八面體三維方向相互傳遞、耦合的結(jié)果。在一定的空間范圍內(nèi)，這些偶極子都按照統(tǒng)一方向排列，形成所謂自發(fā)極化電疇。2、鐵電體的介電性能鐵電體中ε的大小，可以簡約地認為是：正比于能為單位電場所反轉(zhuǎn)(或所定向)的自發(fā)極化矢量，即：ε=1+4πPs/E

（4－2）其中，Ps為自發(fā)極化矢量，E為所加外電場強度。所以，只要自發(fā)極化強度大，而且又容易為外電場所轉(zhuǎn)向時，其ε才大。在居里點附近的相變區(qū)域，由于晶格結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，其自發(fā)極化強度Ps定向激活能和疇壁運動激活能最小，很容易被外電場所定向，因而在居里點出現(xiàn)ε的峰值；而0℃～120℃之間ε的下陷，則是由于結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，疇壁難于運動的緣故。這就導致居里點附近ε值有十分強烈的變化。針對實際電路的使用要求并利用陶瓷的不同介電特性，可以制備不同比容特性、溫度特性、頻率特性、功率特性的電容器。電容器容量C與陶瓷介電常數(shù)之間的基本關系是:（4－3）式中，為真空下的介電常數(shù)；S為電極面積；d為介質(zhì)厚度。Ⅱ類瓷介電容器介電常數(shù)的溫度特性可用下式來表示：（4－4）由于對于同一樣品，、S、d不變，所以，介電常數(shù)的溫度特性可以用電容量溫度特性來表示：（4－5）對不同溫度特性的Ⅱ類瓷介電容器，其介電常數(shù)的溫度特性有其具體的要求。例如：（根據(jù)EIA標準）X7R陶瓷材料的X7R是指一種溫度特性。"X"表示溫度為"-55℃"，"7"表示溫度為"+125℃"，"R"表示在-55℃--+125℃的溫度范圍內(nèi)，室溫（25℃）下的電容量（介電常數(shù)）與-55℃及+125℃時的電容量（或介電常數(shù)）之差被25℃時的電容量（或介電常數(shù)）除所得商值≤±15%，具體為（C25℃-C-55℃）/C25℃，（C25℃-C125℃）/C25℃≤±15%。Y5V表示表示在-30℃--+85℃的溫度范圍內(nèi)，相對25℃介電常數(shù)的變化率下限為≤-82%，上限為≤+30%。從測定的C-T曲線，可得到以下數(shù)據(jù)：(1)C25℃--對應于溫度為趨于25℃時的電容值(2)Ct--對應于溫度為t時的電容值(3)根據(jù)C25℃、Ct帶入（5）式就可以計算出Ⅱ類瓷介電容器介電常數(shù)的溫度特性【實驗步驟】1、檢查各儀器設備之間是否正確連接，將被測樣品安放在測試夾具上；2、將LCR儀、溫控儀和測試溫箱通上電源，打開計算機測試軟件進行校準；3、依次按照要求設置測試參數(shù)、頻率選擇、溫度參數(shù)好樣品參數(shù)等；4、開始測試采集數(shù)據(jù)，測試結(jié)束后拷貝實驗數(shù)據(jù)，按照要求整理關閉儀器、電源。【實驗數(shù)據(jù)分析與討論】實驗數(shù)據(jù)記錄（1）介電常數(shù)與溫度關系數(shù)據(jù)表3-1介電性能與溫度關系樣品名稱樣品編號測試電壓樣品尺寸溫度/℃電容值/nF介電損耗介電常數(shù)（2）根據(jù)上述數(shù)據(jù)采用Origin軟件繪制對應的△C/C(％)~T(℃)曲線、ε~T曲線及tgδ~T曲線。【思考題】BaTiO3陶瓷的居里溫度對應起晶體結(jié)構(gòu)的何種相變？溫度穩(wěn)定型電介質(zhì)的具體含義是什么，其應用如何？舉例介電常數(shù)溫度特性為正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)的典型材料體系。實驗四壓電材料諧振峰與反諧振峰的測定【實驗目的】了解壓電振子的振動模式預計電耦合系數(shù)；自行設計壓電振子并確定其振動模式；掌握壓電振子的電學等效模型及其諧振特點。【實驗原理】根據(jù)諧振理論，壓電振子在最小阻抗頻率SKIPIF1<0附近，存在一個使信號電壓與電流同位相的頻率，這個頻率就是壓電振子的諧振頻率SKIPIF1<0，同樣在最大阻抗頻率SKIPIF1<0附近存在另一個使信號電壓與電流同位相的頻率，這個頻率叫壓電振子的反諧振頻率SKIPIF1<0。由于壓電參數(shù)的計算是由諧振—反諧振法測定，可測得全套數(shù)據(jù)。對于機電耦合系數(shù)，要根據(jù)不同的振動模式選擇樣品，通常激發(fā)其某一振動模式，測出兩個特征頻率（諧振頻率及反諧振頻率），算出相應的系數(shù)。SKIPIF1<0為串聯(lián)諧振頻率（諧振頻率），SKIPIF1<0為并聯(lián)諧振頻率（反諧振頻率）。彈性常數(shù)是反映彈性體的形變與作用力之間關系的參數(shù)。應力改變一個單位時所引起的應變變化量成為彈性柔順常數(shù)，而使物體的應變一個單位時所需要的應力變化量稱為彈性剛度常數(shù)。由于壓電晶體的彈性常數(shù)的值與電學邊界條件有關，在電場強度為零（或常數(shù)）時測得的彈性常數(shù)稱為短路彈性常數(shù)，加上標E表示；在電位移為零（或常數(shù)）時測得的彈性常數(shù)稱為開路彈性常數(shù)，加上標D表示。sij的第一個足標i表示對應的應變分量為Si，第二個足標j表示對應的應力分量為Tj。介電常數(shù)是表示在電場作用下，電介質(zhì)的電位移隨電場強度變化的參數(shù)。對于壓電晶體來說，介電常數(shù)的數(shù)值與力學邊界條件有關。在應力為零（或常數(shù)）時測得的介電常數(shù)稱為自由介電常數(shù)，加上標T表示。在應變?yōu)榱悖ɑ虺?shù)）時測得的介電常數(shù)稱為受夾介電常數(shù)，加上標S表示。壓電晶體的主要特點是，它的彈性性質(zhì)和介電性質(zhì)之間存在著耦合關系，壓電常數(shù)就是反映這話耦合關系的參數(shù)。它們是聯(lián)系二階對稱張量（應變S和應力T）和矢量（電位移D和電場強度E）的三階張量。壓電常數(shù)不僅與應力T和應變S有關，而且與電場強度E和電位移D有關。因此，我們可以從不同的側(cè)面來反映彈性性質(zhì)和介電性質(zhì)之間的耦合關系。總共有四種壓電常數(shù)，除dij以外，還有gij、eij和hij（i=1，2,3；j=1,2,...,6）。【實驗器材和裝置】TH2818型LCR自動平衡電橋、頻譜測試軟件、計算機、PZT壓電陶瓷樣品。【實驗步驟】1、檢查各儀器設備之間是否正確連接，將被測樣品安放在測試夾具上；2、將LCR儀通上電源，打開計算機測試軟件進行校準；3、依次按照要求設置頻率范圍、測試步長等；4、開始測試采集數(shù)據(jù)，測試結(jié)束后拷貝實驗數(shù)據(jù)，按照要求整理關閉儀器、電源。【實驗數(shù)據(jù)分析與討論】實驗數(shù)據(jù)記錄（1）介電常數(shù)與溫度關系數(shù)據(jù)表4-1介電性能與頻率關系樣品名稱樣品編號測試電壓樣品尺寸頻率/Hz阻抗的模阻抗角/°（2）根據(jù)上述數(shù)據(jù)采用Origin軟件繪制對應的|Z|~F(Hz)曲線、ε~T曲線,找出諧振峰與反諧振峰，確定諧振頻率與反諧振頻率。實驗五壓電材料的壓電常數(shù)d33實驗測定【實驗目的】1了解壓電陶瓷的壓電效應2掌握壓電常數(shù)d33的物理意義及測量方法【實驗原理】壓電性，就是某些晶體材料能按所施加的機械應力成比例的產(chǎn)生電荷的能力。當對這類晶體在一定方向上施加機械應力時，在其兩端表面上會出現(xiàn)數(shù)量相等，符號相反的束縛電荷；作用力反向時，表面電荷性質(zhì)亦相反，而且在一定范圍內(nèi)電荷密度與作用力成正比。反之，其在一定方向的電場作用下，則會產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，其形變與電場強度成正比。前者稱為正壓電效應，后者稱為逆壓電效應，統(tǒng)稱為壓電效應。具有壓電效應的物體稱為壓電體。晶體的壓電效應的本質(zhì)是因為機械作用引起了晶體介質(zhì)的極化，從而導致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷。在正壓電效應中，電荷與應力是成比例的：D＝dT（5－1）式中，D－介質(zhì)電位移C/M2;T－應力N/M2;d－壓電常數(shù)C/N對于逆壓電效應，其應變S與電場強度（V/M）的關系為