材料物理性能课程设计试验项目参考指导书

材料物理性能课程设计试验项目

指导参考书

重庆交通大学

材料科学与工程系

1、直流磁特性自动测量

◇实验目的与要求

a) 掌握电磁感应定律及电子积分器在直流磁特性测试中的应用原理；

b) 了解CL-16直流磁特性测试系统的构成原理；

c) 通过实验掌握软磁材料磁滞回线及相关参数的测试方法。

◇直流磁特性测试装置的工作原理

直流磁特性测试包括直流软磁材料磁滞回线及永磁体退磁曲线的测试。本实验主要进行软磁材料直流磁特性的测试。CL-16直流磁特性测试系统的构成原理如下：

计算公式：

◇实验步骤

根据样品及检测线圈匝数的大小估计通过样品截面的总磁链数Φ；根据初级磁化线圈的匝数N1估计所需磁化电流的大小；

定标：包括B（积分器）定标及H（线圈电流）定标；B定标指对B通道的总磁链数Φ进行标定，标定出测试曲线上每10cm所对应的总磁链数。电流I定标指对螺绕环中的初级磁化电流进行标定，标定出测试曲线上每10cm所对应的磁化电流的大小。定标调节指示中1000表示倍率×1，500表示倍率×0.5，300表示倍率×0.3…….。（记录下定标值）调放大积分器零漂：将开关打到测量档，调零漂电位器，补偿零漂。调整的判据是使零漂显示不再变化，最后回零。

测试：确定好定标值后可以进行测试，测试过程自动完成。通过X-Y记录仪画出磁滞回线。

标定参数：根据定标设置，通过上面的公式计算出每10cm（纵轴）所对应的磁感应强度（T），每10cm所对应的磁场强度（横轴）（A/m）。计算出测试样品的Bs、Br、Hc等参数。

◇实验结果及分析

1．如何进行永磁材料退磁曲线的测试？

2、介电常数的温度特性测试

◇实验目的

1、通过实验掌握Ⅱ类瓷介电容器介电常数的温度特性

2、学会Ⅱ类瓷介电容器介电常数的温度特性的一般测试方法

◇实验仪器

电热恒温烘箱

LCR仪

温度计

测量夹具

Ⅱ类瓷介电容器样品

◇实验原理

1、BaTiO3的结构与自发极化

结构

r Ba2+=0.135nm, r Ti4+=0.068nm, r O2－=0.140nm。BaTiO3为钙钛矿结构，由Ba2+离子与O2-离子一起立方堆积，Ti4+处于八个八面体之间。

BaTiO3钙钛矿结构

BaTiO3的相变：三方--斜方--四方--立方--六方

BaTiO3的相变及介电常数的温度特性关系

自发极化产生的原因：

r O2-+r Ti4+=1.33+0.64=1.97A，而r Ba2+大，故氧八面体间隙大，Ti4+－O2-间距大（2.005A）,因而Ti4+离子能在氧八面体中震动。T>120 ℃，Ti4+处在各方几率相同（偏离中心，几率为零），对称性高，顺电相。T<120 ℃，Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成偶极矩，按氧八面体三组方向相互传递，偶合，形成自发极化电畴。在铁电体中ε的大小正比于单位电场所转向的自发极化矢量也就是说，自发极化强度Ps愈大，电畴愈容易为外电场所定向，其ε愈大。BaTiO3陶瓷的ε与材料的温度，外电场，频率有关，不论90°畴180°畴与外加电场，温度的高低有关。

在居里点附近纯BaTiO3瓷的介电常数有急剧变化的特性，其变化率甚至可达4-5个数量级，而当温度高于居里点Tc后，随着温度升高，介电系数下降，介电系数随温度的变化遵从居里-外斯定律：

式中：t0-特性温度，它一般低于居里温度（对BaTiO3来说约低10℃～11℃）；k-居里常数（对BaTiO3来说，k=1.6～1.7×105℃）；ε0-表示电子极化对介电常数的贡献，一般情况下，ε0所占比重很小，可忽略。

从式1可以看出在居里点以上，随温度T的升高，介电系数ε迅速下降：距离居里温度愈近，下降的程度就愈大。造成这种现象的原因主要是BaTiO3晶体结构所引起的：以BaTiO3为代表的铁电晶体是一种ABO3型钙钛矿结构。A位为低价、半径较大的Ba离子，它和氧离子一起按面心立方密堆；B位为高价、半径较小的Ti离子，处于氧八面体的体心位置。

依据斯莱特-德文希尔理论：当温度低于1460℃高于120℃时BaTiO3属于立方晶系，所有的氧八面体均以顶角相连，构成了三维氧八面体族。这种具有对称性较高的立方BaTiO3并不具铁电性，属于一般的顺电介质。当温度降至120℃以下时，结构转变为四方对称，c 轴略有伸长，a,b轴略有缩短。c/a≈1.01，因此具有沿c轴自发极化的铁电性。这是由于在钛氧八面体中，正负电荷的作用中心产生位移，出现电偶极矩，按氧八面体三维方向相互传递、耦合的结果。在一定的空间范围内，这些偶极子都按照统一方向排列，形成所谓自发极化电畴。

2、铁电体的介电性能

铁电体中ε的大小，可以简约地认为是：正比于能为单位电场所反转(或所定向)的自发极化矢量，即：

ε=1+4πPs/E （2）

其中，Ps为自发极化矢量，E为所加外电场强度。

所以，只要自发极化强度大，而且又容易为外电场所转向时，其ε才大。在居里点附近的相变区域，由于晶格结构的不稳定，其自发极化强度Ps定向激活能和畴壁运动激活能最小，很容易被外电场所定向，因而在居里点出现ε的峰值；而0℃～120℃之间ε的下陷，则是由于结构相对稳定，畴壁难于运动的缘故。这就导致居里点附近ε值有十分强烈的变化。

针对实际电路的使用要求并利用陶瓷的不同介电特性，可以制备不同比容特性、温度特性、频率特性、功率特性的电容器。电容器容量C与陶瓷介电常数之间的基本关系是:

式中，为真空下的介电常数；S为电极面积；d为介质厚度。Ⅱ类瓷介电容器介电常数的温度特性可用下式来表示：

由于对于同一样品，、S、d不变，所以，介电常数的温度特性可以用电容量温度特性来表示：

对不同温度特性的Ⅱ类瓷介电容器，其介电常数的温度特性有其具体的要求。例如：（根据EIA标准）X7R陶瓷材料的X7R是指一种温度特性。"X"表示温度为"-55℃"，"7"表示温度为"+125℃"，"R"表示在-55℃--+125℃的温度范围内，室温（25℃）下的电容量（介电系数）与-55℃及+125℃时的电容量（或介电系数）之差被25℃时的电容量（或介电系数）除所得商值≤±15%，具体为（C25℃-C-55℃）/C25℃，（C25℃-C125℃）/C25℃≤±15%。Y5V 表示表示在-30℃--+85℃的温度范围内，相对25℃介电系数的变化率下限为≤-82%，上限为≤+30%。从测定的C-T 曲线，可得到以下数据：

(1)C25℃--对应于温度为趋于25℃时的电容值

(2)C t--对应于温度为t时的电容值

(3)根据C25℃、C t带入（5）式就可以计算出Ⅱ类瓷介电容器介电常数的温度特性

◇实验步骤

1、将被测样品安放在测试夹具上，然后将夹具放入烘箱中；

2、将LCR仪通上电源，并设置在1KHz频率、0.1V电压下，准备测试；

3、将烘箱从室温加热到150°C，在25°C，测一次电容值，然后每升高5°C测一次电容值。

4、做好实验数据记录，按照实验指导老师要求，整理仪器、电源。

◇实验数据分析与讨论

实验数据记录

（1）容量与温度关系数据

表1 容量与温度关系