材料与器件报告

压电驱动器李岩122200715纲要：1、驱动器的定义及背景介绍2、常见的驱动器3、压电驱动器1）原理2）特点3）材料4、我完成的工作及下一步计划Actuator:onethatactuates,specif:anyofvariouselectrichydraulic,orneumaticmechanismofwhichsomethingismovedorcontrolledindirectlyinsteadofbyhand(asamotorthatturnsofalargeshipormovestheelevatorsofanairplaneoranairbrakecylinderoperatedbyamotorman)背景介绍：传统的许多精密制造业虽然能够将机械零部件微型化到相当小的程度，但是多数传统加工方法已经达到极限，所以人们需要利用微驱动器来实现微加工。常用的驱动器1、热驱动器2、静电驱动器3、压电驱动器热驱动器：利用固体或液体尺寸随温度变化的特性的驱动原件叫做热驱动器。特点：位移-输入能量的关系线性好。缺点包括高功率投入，低频带和较复杂的结构。静电驱动器：静电驱动器是利用两块带相反电荷的极板间的相互吸引做成的原件。特点：容器制造，但静电力与极板间距和极板间电压的关系都不是线性的。压电驱动器压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动原理：逆压电效应，即对陶瓷施加交变电场引起陶瓷机械变形的现象。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度。如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F－＋（顺压电效应）13同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应（电致伸缩效应）。逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。压电驱动器的特点：(1)不需传动机构,位移控制精度高,可达0.01um。(2)响应速度快,约为10微秒,无机械吻合间隙,可实现电压随动式位移控制。(3)有较大的力输出,约为3.9KN/cm。(4)功耗低,比电磁马达式的微位移器低1个数量级,并且当物体保持一定位置(高度)时,器件几乎无功耗。(5)它是一种固体器件,易于电源、侧位传感器、微机等实现闭环控制。并且磁控合金和温控形状记忆合金等其他位移器件体积要小得多。压电材料的种类：压电晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。目前主流的压电驱动材料是PZT陶瓷，因为他优异的压电性能。但由于铅挥发等会给环境带来严重污染等因素，欧盟、美国和亚洲的部分国家已经立法限制铅基陶瓷的使用。因此，BNT陶瓷在压电性能方面取得了巨大的突破，甚至有希望跟PZT基陶瓷相媲美，被认为很有希望取代PZT陶瓷，成为主流压电驱动材料。我完成的工作：1、BNBT陶瓷的制备（固相烧结）2、测试仪器及测试结果阻挡分析仪——介电常数及损耗TF2000——电滞回线及场致应变XRD——钙钛矿相我下一步的工作1、完成BNBT陶瓷性能的各项测试2、尝试利用固相烧结法制备CCTO参考文献：1、FeifeiWang,MinXu,YanxueTang,TaoWang,WangzhouShi,andChungMingLeungJ.Am.Ceram.Soc.,95[6]1955–1959(2012)2、EricA.PattersonandDavidP.CannAppl.Phys.Lett.101,042905(2012)3、DraganDamjanovicAPPLIEDPHYSICSLETTERS97,062906（2010）4、WookJo&RobertDittmer&MatiasAcosta&JiadongZang&ClaudiaGroh&EvaSapper&KeWang&JürgenRödelJElectroceram(2012)29:71–935、共振式压电驱动器分析及实验研究第12卷第5期2012年2月1671—1815f2o12)o5—1038—0