實驗名稱：基于恒壓法的壓電材料大功率測試平臺

研究方向：聚焦于壓電材料領域，核心研究方向是探究PT含量對PMN-PT單晶在大功率應用場景下性能的影響機制，并搭建相應測試平臺獲取關鍵數據，為相關器件設計提供支撐。壓電材料能夠實現機械能和電能的相互轉換，這一特性使其在傳感器、執行器以及高精度定位系統等眾多領域都有著舉足輕重的作用。PMN-PT（鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛）單晶作為一種新型壓電材料，與傳統的多晶壓電材料相比，具有更高的壓電系數、機電耦合系數以及機械品質因數，因此在研究和工業應用中的使用越來越廣泛。

（1）壓電材料性能研究：壓電材料在眾多領域應用廣泛，PMN-PT單晶作為新型壓電材料優勢突出。不過，此前研究多集中于低功率場景，對其大功率下性能了解不足。本研究專注于PMN-PT單晶在大功率條件下的性能表現，通過改變PT含量這一關鍵變量，深入剖析其對材料性能的影響。研究不同PT含量的PMN-PT單晶在大功率激勵時，壓電系數、彈性耦合系數、機電耦合系數和機械品質因數等關鍵參數的變化規律，進而全面掌握材料在大功率應用中的性能特點。

（2）搭建大功率測試平臺：為實現上述研究目標，基于恒壓法搭建了一套完整的大功率測試平臺。選用改進的恒壓法，優化觸發機制，減少壓電單晶自熱和退極化現象，確保實驗數據的準確性。平臺集成信號發生器、高壓放大器、示波器等設備，信號發生器產生掃頻信號，經高壓放大器放大后作用于壓電材料，示波器監測電路電壓和電流，從而記錄和分析材料在大功率激勵下的響應，為研究提供數據支撐。

（3）為器件設計提供依據：研究PT含量對PMN-PT單晶大功率性能的影響，最終目的是為以PMN-PT為敏感元件的傳感器或換能器設計提供可靠數據支持。明確不同PT含量材料在大功率下的性能變化，有助于工程師在設計器件時，根據實際應用需求，如傳感器的靈敏度、換能器的能量轉換效率等，精準選擇合適PT含量的PMN-PT單晶材料，進而優化器件性能，提高其在實際工作中的可靠性和穩定性，推動相關領域的技術發展和創新。

實驗目的：研究不同PT含量的PMN-PT單晶在大功率電壓激勵下的性能變化

測試設備：信號發生器、ATA-3080功率放大器、溫度監測設備、材料參數測量設備（阻抗分析儀和測量儀）等。

實驗過程：目前，大功率測試系統主要有恒壓法、恒流法和瞬態脈沖法三種。本研究采用基于改進恒壓法的測試方法。通過改進觸發機制，壓電單晶無需長時間在高電場激勵下工作，減少了自熱現象，防止壓電材料退極化。圖1展示了基于改進恒壓法的測試系統流程圖。如圖1所示，信號發生器產生掃頻信號，經高壓放大器（西安安泰ATA-3080）放大后輸入壓電材料。壓電材料在中心點被夾持，周圍保持自由狀態。示波器連接電壓和電流探頭，用于監測電路的電壓和電流，收集的數據輸出到計算機進行分析。掃頻法記錄壓電換能器兩端的電流和電壓。由于材料的阻抗特性，阻抗與電流值成比例關系。因此，相應的電流曲線可用于繪制阻抗曲線，進而確定材料的諧振和反諧振頻率。這些頻率對于進一步計算材料參數至關重要。

圖1恒壓法測試系統

實驗結果：結果表明，PT含量的增加顯著改變了壓電材料的性能，導致相變。PT含量為26%的PMN-PT單晶在8W功率激勵下，壓電系數增加25%，柔順系數增加12%，機電耦合系數增加17%，機械品質因數降低73%。PT含量為29%的PMN-PT單晶在4.49W功率激勵下，壓電系數增加33%，柔順系數增加20%，機電耦合系數增加21%，機械品質因數降低78%。PT含量為33%的PMN-PT單晶在1.24W功率激勵下，壓電系數增加20%，柔順系數增加30%，機電耦合系數增加20%，機械品質因數降低55%。這些結果表明，較高的PT含量使PMN-PT單晶在大功率應用中對溫度效應更敏感，從而降低了功率耐受性，增加了退極化的風險。本研究首次詳細闡述了不同PT含量的PMN-PT單晶在大功率應用中的性能，與以往研究有顯著差異，填補了文獻中的空白。

圖2不同PT含量的PMN-PT單晶的彈性柔順系數，壓電系數，機電耦合系數以及機械品質因數

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審核編輯 黃宇