ICS31.140 CCSL90 中华人民共和国国家标准 GB/T2414.2—2025 代替GB/T2414.2—1998 压电陶瓷材料性能试验方法 长条横向长度伸缩振动模式 Testmethodsforthepropertiesofpiezoelectricceramics— Transverselengthextensionvibrationmodeforbar 2025-08-29发布 2026-03-01实施 国家市场监督管理总局 国家标准化管理委员会发布前 言 本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定 起草。 本文件是GB/T2414《压电陶瓷材料性能试验方法》的第2部分。GB/T2414已发布了以下部分: ———第1部分:圆片径向伸缩振动模式; ———第2部分:长条横向长度伸缩振动模式。 本文件代替GB/T2414.2—1998《压电陶瓷材料性能试验方法 长条横向长度伸缩振动模式》,与 GB/T2414.2—1998相比,除结构调整和编辑性改动外,主要技术变化如下: a) 删除了试验的不确定度(见1998年版的第6章); b) 删除了“传输电路法”试验方法(见1998年版的6.2.1)。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由全国海洋船标准化技术委员会(SAC/TC12)提出并归口。 本文件起草单位:海鹰企业集团有限责任公司、中国科学院上海硅酸盐研究所。 本文件主要起草人:蒋杏兵、张晖、杨敏、孟林云、梁瑞虹。 本文件于1981年首次发布,1998年第一次修订,本次为第二次修订。 ⅠGB/T2414.2—2025 引 言 压电陶瓷具有将外力转换电能的特性,即极其微弱的机械振动转换成电信号,同时也能将电信号转 换成机械振动,利用压电陶瓷的这一特性,广泛应用于声呐系统、气象探测、家用电器等方面。 GB/T2414《压电陶瓷材料性能试验方法》拟由2个部分构成。 ———第1部分:圆片径向伸缩振动模式。目的在于规定压电陶瓷在径向伸缩振动模式下的性能参 数表征。 ———第2部分:长条横向长度伸缩振动模式。目的在于规定压电陶瓷在横向伸缩振动模式下的性 能参数表征。 ⅡGB/T2414.2—2025 压电陶瓷材料性能试验方法 长条横向长度伸缩振动模式 1 范围 本文件描述了压电陶瓷材料长条横向长度伸缩振动模式的介电、压电和弹性性能的测试方法。 本文件适用于压电陶瓷材料长条横向长度伸缩振动模式参数性能的测试。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文 件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于 本文件。 GB/T2413 压电陶瓷材料体积密度测量方法 GB/T3389.1 铁电压电陶瓷词汇 3 术语和定义 GB/T3389.1界定的术语和定义适用于本文件。 4 试验原理 4.1 等效电路与特征频率 一个以单一模式自由振动的压电陶瓷振子,在其谐振频率附近的机电特性可用图1的等效电路来 表示。它由动态电容(C1)、动态电感(L1)、动态电阻(R1)组成的串联支路与并联电容(C0)并联而成。 在谐振频率附近可认为这些参数与频率无关。 图1 等效电路 根据图1所示的等效电路,压电陶瓷振子的导纳可用公式(1)表示: Y=jωC0+1 R1+j(ωL1-1/ωC1)=Y0+Y1…………………………(1) 式中: Y0———并联支路的导纳,Y0=jωC0,单位为西门子(S); Y1———串联支路的导纳,Y1=1 R1+j(ωL1-1/ωC1),单位为西门子(S); 1GB/T2414.2—2025 ω———角频率,单位为弧度每秒(rad/s); L1———等效电感,单位为亨利(H); C0———静态电容,单位为法拉(F); C1———动态电容,单位为法拉(F); R1———动态电阻,单位为欧姆(Ω); j———虚数单位。 在电导-电纳坐标平面上,随着频率的变化,串联支路导纳(Y1)矢量终端的轨迹为一个圆。当机械 品质因数(Qm)较大时,ωC0在谐振区的变化甚小,因此可看作为一个常数。在不考虑介质损耗时,压电 陶瓷振子导纳(Y)的圆图如图2所示。 图2 导纳圆图 从图2的导纳圆图中,可得到以下6个特征频率: fs———串联谐振频率; fp———并联谐振频率; fr———谐振频率(电纳等于零); fa———反谐振频率(电纳等于零); fm———最大导纳频率(最小阻抗频率); fn———最小导纳频率(最大阻抗频率)。 在一般情况下,fm<fs<fr;fn>fp>fa;(fn-fm)>(fp-fs)>(fa-fr)。当振子的优值M较 高时,在一级近似下,fm=fs=fr,fn=fp=fa;当优值M较低时,用(fn-fm)代替(fp-fs)计算参数 性能,应加以修正,其近似公式为: Δf=(fp-fs)≈fn-fm 1+4/M2…………………………(2) M=1 2πfsR1C0≈1 2πfmCT|Zm|…………………………(3) 式中: M ———压电振子的优值; CT———自由电容,单位为法拉(F); Zm———压电振子的最小阻抗,单位为欧姆(Ω)。 如果M2(fp-fs)/fs>100,利用近似公式(2)和公式(3)所产生的误差小于1%。 4.2 试验概述 本文件采用电桥法测试压电陶瓷长条横向长度伸缩振动模式的材料性能。 2GB/T2414.2—2025 采用阻抗分析仪测压电振子的最大导纳频率(fm),最小导纳频率(fn),最小阻抗(Zm);或谐振频 率(fr),反谐振频率(fa)和谐振电阻(Rr)。 在一级近似下,fm=fr=fs,fn=fa=fp,|Zm|=Rr。 得到串联谐振频率(fs)、并联谐振频率(fp)和动态电阻(R1)后,即可通过计算或査附录A,确定机 电耦合系数(k31),并计算压电振子的其他参数。 5 试验设备 5.1 电桥:频率优于100ppm=100×10-6,阻抗分辨率优于0.05Ω。电桥电容的测量误差不大于 0.5%;介质损耗角正切测量误差不大于(10%读数+1×10-4)。 5.2 样品支架:支架夹持力宜小,以能夹住试样为准。保证夹具与试样电极接触良好,夹具与试样接触 面的直径一般为0.3mm~1.0mm,并夹在试样节点处。支架分布电容宜小,且绝缘性能良好。 6 试验条件 6.1 环境条件 6.1.1 试验的标准大气条件。 ———温度:15℃~35℃。 ———相对湿度:45%~75%。 ———气压:86kPa~106kPa。 6.1.2 仲裁试验的标准大气条件。 ———温度:25℃±2℃。 ———相对湿度:45%~55%。 ———气压:86kPa~106kPa。 6.2 试验信号 试验信号应符合以下要求: a) 测电容和介质损耗时,电场强度(E)不大于5V/mm,频率(f)为1kHz; b) 测串联谐振频率和动态电阻时,电场强度(E)不大于30mV/mm。 7 试验样品 7.1 试样形状 试样为长条片,试样的长度(l)、宽度(b)和厚度(t)应满足(l/b)2≥10、(b/t)2≥10;直线度不大于 长度(或宽度)的公差,平行度不大于厚度的公差。两主平面被覆上金属层作为电极,沿厚度方向进行极 化处理。 7.2 试样尺寸 推荐试样尺寸为(30±0.1)mm×(5±0.1)mm×(0.7~1)mm。 7.3 试样处理 试样应保持清洁、干燥,根据不同瓷料的要求,极化后存放不小于10d,并在6.1规定的环境条件下 3GB/T2414.2—2025 放置2h后进行试验。 8 试验步骤 8.1 自由电容(CT)和介质损耗角正切(tgδ) 将试样接至电桥(5.1)上,直接测出其电容量和介质损耗角正切值。 8.2 串联谐振频率(fs)、并联谐振频率(fp)和动态电阻(R1) 8.2.1 试验电路 试验电路如图3所示。 图3 电桥法试验电路 8.2.2 试验程序 将试样接入电桥(5.1)输入端如图3所示,调整电桥输出电压,使其符合6.2的规定。调节电桥的频 率,使试样的阻抗最小,此时频率为最大导纳频率(fm),阻抗为最小阻抗(Zm);或使试样相位为零,此 时频率为谐振频率(fr),阻抗为谐振电阻(Rr)。增高电桥频率,使试样阻抗最大,此时频率为最小导纳 频率(fn);或使试样相位为零,此时频率为反谐振频率(fa)。 在一级相似下:fm=fr=fs,fn=fa=fp,Zm=Rr 8.3 体积密度 按GB/T2413中描述的方法测量压电陶瓷材料的体积密度(ρ)。 8.4 试样测量 用精度优于0.02mm的量具测量试样的长度(l)、宽度(b)和厚度(t)。 9 压电陶瓷材料参数性能的计算 9.1 横向机电耦合系数 根据8.2测得的长条试样串联谐振频率(fs)和并联谐振频率(fp),按公式(4)计算横向机电耦合系 数(k31)。 k31=(π/2)(1+Δf/fs)tg[(π/2)(Δf/fs)] 1+(π/2)(1+Δf/fs)tg[(π/2)(Δf/fs)] { }1/2 …………………………(4) 式中: k31———横向机电耦合系数; Δf———频差Δf=fp-fs,单位为赫兹(Hz); 4GB/T2414.2—2025