壓電管式復(fù)合驅(qū)動(dòng)器及其應(yīng)用研究.pdf

1、壓電復(fù)合材料是上世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的一種新型材料，它不僅具有壓電陶瓷的響應(yīng)速度快、可控精度高、低能耗、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有良好的柔韌性和機(jī)械加工性能，克服了壓電陶瓷易碎和難以加工成復(fù)雜形狀的缺點(diǎn)，易于與水及生物組織實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配，已廣泛應(yīng)用于水聲換能器和醫(yī)療超聲成像等領(lǐng)域。其中1-3 型壓電復(fù)合材料具有優(yōu)良的特性，且易于制備，是復(fù)合材料中研究和應(yīng)用最為廣泛的一種。
　　 傳統(tǒng)的1-3型壓電復(fù)合材料使用方形或者圓柱形立柱與

2、基體材料復(fù)合，本文使用壓電陶瓷管與基質(zhì)復(fù)合，制成壓電管式復(fù)合驅(qū)動(dòng)器以適應(yīng)于多種場合的應(yīng)用。除了具有傳統(tǒng)壓電復(fù)合物的優(yōu)點(diǎn)之外，壓電管式復(fù)合物所需的極化和驅(qū)動(dòng)電壓低，能夠與導(dǎo)體基質(zhì)復(fù)合，每個(gè)壓電陶瓷管可以獨(dú)立控制，電場利用率高，易于完成多模式驅(qū)動(dòng)?；诙坦艿钠瑺顝?fù)合物可以應(yīng)用在超聲波和高頻振動(dòng)抑制方面?；陂L管的片狀或者塊狀復(fù)合物可以用在所需位移較大的場合，例如形狀控制，中低頻的振動(dòng)和噪聲控制，變形鏡和壓電馬達(dá)等。
　　 本文以壓電

3、管式復(fù)合驅(qū)動(dòng)器為研究對(duì)象，首先利用經(jīng)典理論和有限元法系統(tǒng)的研究了壓電管式復(fù)合物的靜、動(dòng)態(tài)特性，其次分析了四管單元復(fù)合物在特定驅(qū)動(dòng)模式下的靜態(tài)和諧振特性，最后列舉了壓電管式復(fù)合驅(qū)動(dòng)器在彎曲搖頭式壓電馬達(dá)以及新型壓電離心泵中的應(yīng)用實(shí)例。主要工作及結(jié)論包括：
　　 結(jié)合電場分布模型，分析了壓電單管的靜、動(dòng)態(tài)特性。將壓電應(yīng)變類比于熱應(yīng)變，用rule of the mixture models和concentric cylinder mo

4、dels 進(jìn)行壓電管式復(fù)合物的宏觀等效性能參數(shù)計(jì)算公式的推導(dǎo)。研究了電場的非均勻性對(duì)其壓電系數(shù)產(chǎn)生的影響，給出了密度、介電常數(shù)、壓電常數(shù)以及彈性模量的計(jì)算公式，討論了不同壓電陶瓷管體積分?jǐn)?shù)、厚徑比、分布密度以及基體材料對(duì)復(fù)合物壓電特性產(chǎn)生的影響。借助有限元軟件對(duì)復(fù)合物單元的壓電系數(shù)和楊氏模量矩陣進(jìn)行推導(dǎo)，研究了陶瓷材料的體積分?jǐn)?shù)對(duì)其產(chǎn)生的影響，并與理論結(jié)果對(duì)比。
　　 仿真了復(fù)合物單元在不同載荷下容易引發(fā)材料破壞的應(yīng)力分布情況。

5、分析了復(fù)合物的振動(dòng)模態(tài)及其共振頻率隨結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的變化趨勢(shì)。
　　 對(duì)各管獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的四管復(fù)合驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了研究。理論分析了其靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性，給出了彎曲撓度、力矩及其共振模態(tài)參數(shù)的計(jì)算公式。與傳統(tǒng)薄壁理論進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了分析的合理性。制作了四管復(fù)合驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)并進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)合有限元分析驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性。并將四管復(fù)合驅(qū)動(dòng)器和傳統(tǒng)的單管四分電極驅(qū)動(dòng)器在各項(xiàng)性能參數(shù)上做了詳細(xì)的對(duì)比，證實(shí)當(dāng)四管復(fù)合驅(qū)動(dòng)器和單管四分電極驅(qū)動(dòng)器擁有相同

6、尺寸，在相同電場強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)下，四管復(fù)合驅(qū)動(dòng)器的整體性能通常優(yōu)于單管四分電極驅(qū)動(dòng)器。此外，四管復(fù)合驅(qū)動(dòng)器具有可擴(kuò)展性強(qiáng)，電磁輻射小和驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)，并且可以避免傳統(tǒng)單管四分電極驅(qū)動(dòng)器制造中非對(duì)稱的缺陷，提高驅(qū)動(dòng)精度。它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單管四分電極驅(qū)動(dòng)器，在掃描探針顯微鏡、壓電馬達(dá)和壓電陀螺等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
　　 使用壓電八管復(fù)合驅(qū)動(dòng)器研制了彎曲搖頭式壓電馬達(dá)，理論分析了八管復(fù)合驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。設(shè)計(jì)制作了馬達(dá)樣機(jī)。樣

7、機(jī)測(cè)試結(jié)果與理論值基本吻合。馬達(dá)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)電壓幅值呈良好的線性關(guān)系。靜態(tài)時(shí)，馬達(dá)定子的端部軌跡并非理想的圓，主要由壓電遲滯造成。馬達(dá)工作在共振頻率附近，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓幅值為200Vp?p，頻率為5.0kHz 時(shí)，該馬達(dá)的最大空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩分別為319rpm和1.6mNm。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓幅值為160Vp?p，頻率為5.0kHz，預(yù)壓力為0.3N 時(shí)，馬達(dá)的最大效率為12％，最大輸出功率為7mW。
　　 設(shè)計(jì)了基于壓電四管復(fù)合驅(qū)動(dòng)器的新

8、型離心式壓電陶瓷泵。該泵無機(jī)械部件所以具有較高的效率；無精密閥門或者細(xì)微管道所以對(duì)液體純凈度要求不高；可擴(kuò)展性強(qiáng)，由于壓電管式復(fù)合物單個(gè)壓電元件的控制獨(dú)立性，可以采用不同的驅(qū)動(dòng)方式衍生出多種結(jié)構(gòu)。對(duì)離心泵的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了理論分析。
　　 研究了靜態(tài)端部彎曲撓度、輸出力矩、共振模態(tài)以及液體流速對(duì)共振頻率的影響。制作了原理樣機(jī)并進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)證明該壓電泵可在驅(qū)動(dòng)電壓幅值為120Vp?p，諧振頻率232Hz 時(shí),2.0kPa的

9、負(fù)壓下以7.7ml/min的速度抽出蒸餾水。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值為120Vp?p，頻率為233.2Hz 時(shí)，流速最大值為8.6ml/min,泵所能承受的背壓最大值為5.4kPa。
　　 基于以上研究，本論文在以下方面具有創(chuàng)新之處：(1)對(duì)壓電管式復(fù)合物的壓電系數(shù)和楊氏模量矩陣進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并討論了其在不同載荷下的應(yīng)力和電勢(shì)分布情況。(2)利用壓電四管復(fù)合物制作的驅(qū)動(dòng)器的特性優(yōu)于傳統(tǒng)的單管四分電極驅(qū)動(dòng)器，可以代替其在掃描隧道顯微鏡中