交叉指形电极压电驱动元件研究

摘要

交叉指形电极压电驱动元件采用交叉指形电极取代普通的平面电极，此电极同时为制备过程的中极化电极和工作电极，使极化方向和工作主方向一致，使用了较大的压电常数d33或e33，所以与普通电极压电驱动器相比，交叉指形电极压电驱动器在主方向上的应变和应力可以提高很多。而且电极形式的革新，使得压电驱动器在驱动平面内具有正交各向异性的优良特性。交叉指形电极和压电纤维复合材料技术相结合改善了纯陶瓷压电元件脆性大的缺点使之具有较高的韧性，扩展了压电驱动器的应用范围。本文采用有限元软件ANSYS，分析了交叉指形电极压电纯陶瓷元件和交叉指形电极压电纤维复合材料的电场分布及材料、结构参数的改变对其驱动性能的影响。研究了交叉指形电极压电纯陶瓷元件的极化工艺，总结出最佳极化电压、极化温度和极化时间。本文的主要研究内容及其成果为：
　　 1. 研究了交叉指形电极压电驱动器的发展历史以及压电陶瓷的基本特性和本构关系。
　　 2. 介绍了有限元方法及其在压电驱动器分析中的理论及应用，给出了应用ANSYS分析交叉指形电极压电驱动器的一般步骤。
　　 3. 应用有限元方法分析了交叉指形电极关键尺寸、压电陶瓷材料参数对纯陶瓷压电驱动器电场分布以及驱动性能影响，并与N.Hagood的实验结果进行对比分析。
　　 4. 应用有限元软件分析了电极及两相结构关键尺寸、聚合物相的材料常数对交叉指形电极压电纤维复合材料的驱动性能的影响。
　　 5. 实验研究了交叉指形电极压电纯陶瓷元件的极化工艺，对极化电场、极化温度和极化时间等工艺参数进行实验研究，并测量一定电压下的自由变形量值，确定最佳极化条件。