一、為何需要對功能陶瓷進(jìn)行電致應(yīng)變回線測試？

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)陶瓷（如氧化鋁、氮化硅）主要用于承載或隔熱，通常不具備顯著的電-力耦合效應(yīng)。然而，功能陶瓷——特別是鐵電/壓電陶瓷（如鋯鈦酸鉛 PZT、鈦酸鋇 BaTiO? 等）——在外部電場作用下可產(chǎn)生可逆的微小形變（即應(yīng)變），這一特性構(gòu)成了其在現(xiàn)代智能器件中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括：超聲換能器，驅(qū)動器，傳感器與執(zhí)行器。

為了科學(xué)評估這類材料在電場激勵(lì)下的形變能力、響應(yīng)線性度、滯后行為及可重復(fù)性，需開展系統(tǒng)的電場-應(yīng)變響應(yīng)測試，其輸出即為電致應(yīng)變回線（Electrostrain Hysteresis Loop）。該回線不僅反映材料的驅(qū)動性能，還蘊(yùn)含豐富的微觀機(jī)制信息。

二、電致應(yīng)變回線的定義與物理意義

1. 什么是電致應(yīng)變回線？

電致應(yīng)變回線是指應(yīng)變（S）隨外加電場（E）周期性變化所形成的閉合曲線。典型特征包括：

在正、負(fù)電場區(qū)域均出現(xiàn)應(yīng)變峰值；

整體呈現(xiàn)對稱或非對稱的雙峰狀回線結(jié)構(gòu)；

回線出現(xiàn)“縮頸"（pinching）現(xiàn)象，尤其在弛豫鐵電體中更為明顯。

該回線直觀揭示了材料在交變電場下的機(jī)電響應(yīng)全過程，是評估其作為驅(qū)動或傳感材料適用性的關(guān)鍵依據(jù)。

2. 物理機(jī)制解析

電致應(yīng)變主要來源于兩類物理效應(yīng)：

逆壓電效應(yīng)（Converse Piezoelectric Effect）：

存在于已極化的鐵電陶瓷中。電場引起晶格畸變，產(chǎn)生近似線性應(yīng)變，具有方向依賴性。正負(fù)電場下應(yīng)變符號相反。

電致伸縮效應(yīng)（Electrostriction）：

普遍存在于所有介電材料，在弛豫鐵電體中尤為突出。應(yīng)變與電場平方成正比，無極性依賴，正負(fù)電場均產(chǎn)生同向應(yīng)變。

因此：

未極化或弛豫型陶瓷（如PMN-PT）：以電致伸縮為主，回線高度對稱；

充分極化的壓電陶瓷（如PZT）：逆壓電效應(yīng)疊加電致伸縮，回線常呈非對稱形態(tài)。

三、測試方法

1. 測試系統(tǒng)組成

一套完整的電致應(yīng)變回線測試系統(tǒng)包括以下模塊：

高壓信號源：電壓可達(dá)數(shù)千伏的交變電場（常用正弦波或三角波）；

位移/應(yīng)變傳感器：

激光測振儀——非接觸、納米級分辨率；

電場監(jiān)測單元：通過高壓探頭測量施加電壓，并結(jié)合樣品厚度 ( d ) 計(jì)算電場強(qiáng)度 ( E = V/d )；

同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：實(shí)時(shí)記錄電場與應(yīng)變信號，生成 S-E 回線。

2. 樣品制備要求

幾何形狀：通常為圓片，以確保電場均勻并降低擊穿風(fēng)險(xiǎn)；

電極制備：兩面需制備導(dǎo)電電極，常用方法包括銀漿燒滲、磁控濺射金或鉑；

極化處理：若需研究逆壓電效應(yīng)，樣品須在高溫下施加高直流電場進(jìn)行極化，并靜置老化24小時(shí)以上以穩(wěn)定性能。

四、電致應(yīng)變回線的關(guān)鍵參數(shù)

應(yīng)變：材料在給定電場下所能達(dá)到的形變量，直接決定驅(qū)動位移能力；

殘余應(yīng)變：電場歸零后殘留的應(yīng)變，反映不可逆變形或疇壁釘扎程度；

回線對稱性 ：對稱 → 以電致伸縮為主；非對稱 → 含顯著逆壓電貢獻(xiàn)；

縮頸（Pinching）程度： 縮頸越明顯，表明極化翻轉(zhuǎn)受阻，常見于弛豫鐵電體或多相共存體系；

回線面積：表征損耗與滯后大小，面積越大，控制精度越低。

五、應(yīng)用與意義

電致應(yīng)變回線測試在科研與工程領(lǐng)域：

材料研發(fā)與篩選：快速比較不同組分的驅(qū)動性能；

器件建模與設(shè)計(jì)：為驅(qū)動器、微位移平臺等提供輸入（電場）-輸出（應(yīng)變）關(guān)系模型；

微觀機(jī)理研究：通過回線演化分析鐵電疇翻轉(zhuǎn)動力學(xué)、相變行為等；

可靠性評估：在百萬次電場循環(huán)后，觀察回線退化 ，預(yù)測器件壽命。

電致應(yīng)變回線測試作為表征鐵電/壓電陶瓷機(jī)電耦合性能的核心手段，不僅揭示了材料在外場作用下的宏觀響應(yīng)，更連接了微觀結(jié)構(gòu)與宏觀功能。

華測儀器的鐵電測試系統(tǒng)，已具備高電壓驅(qū)動、納米級位移檢測與多參數(shù)同步分析能力，可完成電致應(yīng)變回線的全周期測量，為功能陶瓷從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化提供堅(jiān)實(shí)支撐。