新型无铅压电陶瓷驱动器工艺与性能研究

摘要

压电材料作为一类重要的、国际竞争极为激烈的高新技术材料，以压电材料尤其是压电陶瓷制成的微位移器、驱动器和传感器，广泛用于航空航天等高新技术领域及民用生活中，是不可缺少的现代化关键材料和器件。现今广泛投入使用的压电陶瓷材料多是铅基材料，在生产、利用和报废处理过程中均会产生污染，给自然环境和人类健康带来巨大伤害。研究开发无铅基压电陶瓷器件取代含铅压电陶瓷器件是一项迫切，具有重大社会和经济价值的课题，但无铅压电陶瓷较含铅压电陶瓷，压电性能较弱，机械品质因数低，本文通过制备0.8Na0.5Bi0.5TiO3-0.2K0.5Bi0.5 TiO3（以下简称 NKBT）无铅压电陶瓷，研究其极化工艺以提升其压电性能，制作 NKBT基压电器件，对无铅压电陶瓷应用于驱动器做出了探索与研究。另外开发了适用于无铅器件的小型化驱动电路。
　　首先使用固态反应法制备了 NKBT陶瓷片，采用单因素方差与正交试验设计法，优化 NKBT无铅压电陶瓷的极化工艺参数，结合不同条件下的极化工艺实验，获得了最佳极化工艺条件是6kv/mm，极化温度为70℃，极化时间为50min，保压时间21min，通过极化工艺参数的优化，使钛酸铋钠钾无铅压电材料的压电活性进一步提升，d33达到108pC/N。
　　基于压电陶瓷叠层驱动器的驱动特性，采用有限元法结合钛酸铋钠钾无铅压电材料的物理特性，对新型压电陶瓷叠层驱动器的工作性能进行了模拟计算与仿真，重点研究驱动电压与微位移，输出力与微位移之间的关系，获得了其最大位移、输出力及响应频率特性参数。结果表明钛酸铋钠钾无铅压电材料适用于制作结构振动驱动元件的研发；为扩大该叠层驱动器应用范围，为其设计制作了菱形位移放大机构，测试显示外置放大机构的叠层驱动器驱动位移达到了25μm,分辨率达到0.17μm，在高精密定位领域有巨大发展潜力。
　　使用有限元法建立环形超声电机数学模型，利用动力学分析优化超声电机关键部件参数，研究定子内外径对超声电机工作频率的影响，为研制超声电机样机奠定理论基础。通过建立驱动电路系统,主要是设计放大电路，实现对超声电机工作频率的控制。最后测试超声电机样机的转速，在无预应力下，转速为60r/min。

目录

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1绪论

1.1压电材料的分类与研究现状

1.2无铅压电陶瓷的研究近况

1.3压电陶瓷叠层微位移驱动器研究进展

1.4环形超声波电机国内外研究现状

1.5本文研究目标内容与研究意义

2 压电陶瓷的性能表征与工艺研究

2.1压电效应微观机理

2.2固相反应法制备NKBT基无铅压电陶瓷

2.3 NKBT无铅压电陶瓷极化工艺优化

2.4 NKBT无铅压电陶瓷材料主要性能参数的测量

2.5 NKBT与PZT-8压电材料性能对比

3 NKBT基无铅压电陶瓷叠层驱动器研制

3.1压电驱动的原理与驱动原件的选择

3.2叠层驱动器驱动性能的有限元模拟

3.3叠层驱动器样机制作与性能测试

3.3外置放大机构的设计制作

3.4外置放大机构的仿真模拟

3.5外置放大机构的叠层微位移驱动器性能测试

4环形无铅压电陶瓷超声电机优化设计与测试

4.1环形超声电机的工作原理与设计技术路线

4.2环形超声电机材料选择与关键部件的设计优化

4.3环形超声电机的驱动电路系统设计

4.4环形超声电机性能测试

5结论与展望

5.1本文主要的工作及结论

5.2工作展望

致谢

参考文献

附录