压电陶瓷电致伸缩系数文献

1、河北科技师范学院本科毕业论文文献综述院（系、部）名 称 ： 物理系 专 业 名 称： 物理学 学 生 姓 名： * 学 生 学 号： 1112120115 指 导 教 师： * 2016 年 1 月 5 日摘 要压电陶瓷是一种具有压电效应功能的陶瓷材料，已被用于许多领域。本文主要对压电陶瓷的特性、电致伸缩材料研究的新进展、微小形变的测量方法进行了综述。同时简要介绍了压电陶瓷电致伸缩系数的测量。关键词：压电陶瓷；电致伸缩；微小位移1引言1.1研究意义伴随着科技的迅猛发展, 在电子学、光学、精细加工、航空航天及扫描隧道效应和小型电机显微镜等技术领域迫切需要亚微米级的微位移技术。如光通讯聚焦技术、大

2、规模集成电路设备、移动微电机等。由于温度、振动和噪音等环境因素拢动, 都会造成位置偏差,要达到亚微米超情控制还是很困难的1。在各种微位移器中以电致伸缩微位移器性能突出( 具有施加电压低、位移量大、滞后小、重复性好、无老化等特点), 从而引起人们高度重视。而压电陶瓷具有良好的电致伸缩性能。因此对于压电陶瓷电致伸缩的研究成了人们关注的焦点。1.2国内外研究现状BaTiO3是最早的有实用价值的压电陶瓷，具有可制成任意形状和任意极化方向等优点。5080年代期间，锆钛酸铅问世，极化时可获得高压电活性和高介电常数，压电常数是BaTiO3的两倍。内野等人对电致伸缩材料及其力学性质进行了细致的研究2-3。张涛

3、等人研究了压电陶瓷的特性4-5。80年代以来，发展了两种新型的PbTiO3陶瓷。改良的陶瓷具有强的压电各向异性的优点，优于PZT和PT。孙立宁、王裕斌等人研究了电致伸缩及其应用6-7。90年代初，通过米用所研制的H R P D 系列压电/ 电致伸缩陶瓷驱动电源对W T D S 一I 电致仲缩微位移器进行了实验研究, 得出来用电极化强度控制的方法使电致伸徽位移器的迟滞由原来的15 % 减小到1 %, 蠕变由原来的1 0 % 减小到1%, 并实现位移输出的线性化8-9。从20世纪60年代起国内外的科研人员就开始了对铌酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电陶瓷的研究本文主要就压电陶瓷电致伸缩系数的测量

4、进行了研究10-12。2压电陶瓷的特性压电陶瓷与电致伸缩陶瓷均属于电介质，而电介质在电场作用下会产生逆压电效应和电致伸缩效应。电致伸缩效应是指电介质在电场的作用下由于感应极化作用引起应变,且应变与电场方向无关,应变的大小与电场的平方成正比。可用如下公式表示： （1）电极化的强弱用电极化强度P 来表示 （2）P是单位体积内电偶极矩p 的矢量和。在极化时在电场方向上电极化强度与压电陶瓷和电致伸缩陶瓷机械应变的数学关系为： （3） 由静电学理论可知, 电极化强度与电场强度的关系可表示为； （4）电极化率与电介质的介电常数的关系为： （5） 将（5）代入（4）得 （6） 式中 -电极化率 -真空介电常

5、数 2.1位移特性 经过极化处理的压电陶瓷,当外电场撤出后,往往有剩余极化存在,电介质在电容器极板电荷e0 产生的电场中可以等效为一个大电偶极子,同时压电陶瓷叠片可以等效为一弹性体因而有： （7） （8）（ 为压电陶瓷的伸长量;E 为压电陶瓷的内部电场强度;P 为压电陶瓷的内部电极化强度;）( 7)式表明了压电陶瓷位移量与电极化强度之间的关系；(8)式表明了压电陶瓷位移量与电场强度之间的关系,即压电陶瓷位移量与所加电压之间的关系( )。 2.2 出力-位移特性由于压电陶瓷是具有有限刚度的弹性体,因而在受到外力后要被压缩,压电陶瓷被压缩后的位移可以表示为: （9）其中F 为压电陶瓷所受到力, 拉

6、力为正, 压力为负。受到拉力的场合压陶瓷必须有预紧力,否则压电陶瓷将因不能承受拉力而损坏。如图1所示为压陶瓷的输出力和位移间的关系曲线,在空载的情况下压电陶瓷的输出位移为最大输出位移,在最大输出力的作用下,压电陶瓷的输出位移将为零。 图1 压陶瓷的输出力和位移间的关系2.3温度特性 在高精度定位及某些特殊应用场合,压电陶瓷的温度特性也是不容忽视的。压电陶瓷的温度特性主要表现在两个方面:2.3.1线膨胀这是指压电陶瓷随着温度的变化而伸长的特性,由于叠堆型压电陶瓷是由多片压电陶瓷片粘接而成,因而其线膨胀系数既受压电陶瓷片的影响,也受陶瓷片之间连接材料的影响。2.3.2温度对压电/电致伸缩效应的影响

7、压电/电致伸缩陶瓷的输出位移随着温度的增加而减小,压电陶瓷的减小幅度较小,在0 50范围内仅减少5% 8% ,电致伸缩陶瓷减小幅度较大,在0 50范围内减小量在65%。压电/电致伸缩陶瓷的迟滞也随温度而变化,压电陶瓷的变化较小,电致伸缩陶瓷的变化较大。电致伸缩陶瓷的温度特性限制了其在高精度定位领域的应用。2.4迟滞特性压电/电致伸缩陶瓷在光学、精密加工等领域得到广泛应用,但是由于其存在迟滞、蠕变及非线性等缺点13-17,给其控制带来了困难,而且在很多场合压电元件都被当作线性元件使用。3测量方法 要测量电致伸缩系数，本质是测量微小位移。测量微小位移方法大致有云干涉法、激光干涉法、数字散斑相关法、

8、电容法、光杠杆法、差动光程差倍增法、迈克尔逊干涉仪测量法18-29等。3.1光学测量 3.1.1 迈克尔逊干涉仪测量 迈克尔逊干涉仪是一种在近代物理和近代计量技术中有着重要影响的光学仪器【29】。用于测量微小位移，精密度较高30。用激光器作为光源,须用扩束镜,可使视场范围增大,观察到更多的条纹31。当在压电陶瓷的内外表面上加上电压时, 在内外表面间便形成电场, 这时压电陶瓷会在纵向发生形变.设设用E 表示圆管内外表面加上电压后, 在内外表面间形成的径向电场的电场强度, 用S表示圆管轴向的应变, 表示压电陶瓷的电致伸缩系数, 于是 （10）若压电陶瓷的长度为 , 加在压电陶瓷内外表面的电压为U

9、, 加电压后的长度增量为, 圆管的壁厚为(均以mm 为单位), 则按上式有 （11）所以 （12）如图2，将压电陶瓷固定在反射镜架上，将迈克尔逊干涉仪调到可观察屏 上的同心圆干涉条纹.改变加在压电陶瓷外表面上的电压, 使其由零伏逐渐上升, 干涉条纹便由中心向外移动( 假定此时光程差增大), 若电压上升到V 时, 条纹中心正好冒出m 个条纹, 那么压电陶瓷的伸长即为 （13）代入（3）得 于是 （14）画出m与U的图像，求出斜率便可求出。 3.1.2 差动光程差法 如图3所示, M1 ,M2 和M0 为相互平行的反射镜, 且镜面与微小位移方向垂直, M0 可沿微小位移方向运动.He-Ne 激光器

10、发出的激光经分束镜P1 分成光强 图3 差动光程差倍增干涉装置 相等的2 束光L1 和L2。.L1 以角入射, 经定镜M1 反射后到达动镜M0 再反射回M1 , 如此在M1 和M0 之间反复反射.L1 在动镜M0 上反射N 次后反射回M1 , 最后通过分束镜P2 .同理, 从P1 反射的光线L2 也在M0 上反射N 次后经M2 反射到分束镜P2 上, 经P2 反射后与L1 的透射光线平行射进凸透镜, 2 束光汇聚在F , 两者相干, 产生干涉条纹。经分析求出微位移 （15）3.2电容法电容法电致伸缩特性测试装置光学杠杆法测量系统总体示意图如图4所示, 包括可调高压电源、固定基座、三维微位移台、

11、高压正负极板、待测薄膜、励磁线圈组、微位移传感电容及其测试控制电路。系统工作时, 高压电源将强电场加载在待测薄膜上, 薄膜产生应变, 微位移传感电容测量出对应的微位移;在进行材料受力负载情况下的电致伸缩系数研究时, 通过驱动线圈产生力负载;研究材料驱动力时, 用驱动线圈抵消强电场产生的微位移或产生等效微位移, 间接测量材料的驱动力。图4 电容法电致伸缩特性测试装置组成图 通过双束激光干涉仪对多种不同具有电致伸缩特性的聚合物样品在外电场作用下的纵向和横向应变分别做了表征, 场强与应变的关系都显示为典型的二次曲线: （16） 式中：d为应变;R为应变系数;E为场强应变, 场强包括横向和纵向2个方向

12、的关系。电致伸缩应变产生的微位移为： （17） 4 本文主要工作本论文主要运用光学测量法，根据压电陶瓷的电致伸缩性质，在陶瓷两端分别加正负电压，使压电陶瓷产生微小位移。运用迈克尔干涉仪，产生微小位移时相干光产生光程差，从而导致波纹的移动。推导出施加电压U与条纹移动的关系式，从而求压电陶瓷的电致伸缩系数。参考文献1秦效慈，余尚电致伸缩材料研究的新进展J压电与声光，1996，18(2)：129-1332内野，野村昭一郎新型电致伸缩材料J1981，4：61-683戴英明 .大电致伸缩陶瓷材料的力学性质研究J压电与声光，1987，9(1)：8-13.4张涛，孙立宁,蔡鹤皋 .压电陶瓷基本特性研究J.光

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