压载的压电响应 多层陶瓷驱动器外文翻译资料

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压载的压电响应

多层陶瓷驱动器

摘要

在电场和压力共同作用下，研究了采用P M N -PZT陶瓷的多层陶瓷致动器（MCA）的非线性压电特性。电致电子致动器呈现非线性的铁电行为。当电场和压力同时应用于陶瓷材料，其铁电性与陶瓷材料的电性、电场强度和机械载荷的大小不同。通过压电方程估算了该性质的差异。不像仅施加一个感应量、电场或机械应力的情况下，压电和介电行为被发现强烈地依赖于介电常数在机械载荷下的变化。

关键词：多层陶瓷作动器（MCA）；非线性压电；机械载荷；压电系数D33；电介质，介电常数

1. 简介

压电致动器是一种反向使用的器件。电能转换的压电效应机械能。在压电材料中，铅基钙钛矿结构材料，如Pb（Zn1/3Nb2／3）O3 -PbTiO3（PZN -Pt）〔1〕，Pb（Mg1/3Nb2／3）O3 -PbTiO3（PMN -PT）[2 ]，Pb（Mg1/3Nb2/3）O3 -PbZrTiO3（PMN -PZT）[3，4]，已被应用于压电致动器。高压电系数（D33）和机电耦合系数（K33）。对PMN -PT的研究表明，在低Pt含量区存在较强的电致伸缩特性。此外，PMN -PT具有高的电场诱导位移和小的滞后现象。但是，由于居里温度低，存在温度稳定性差的缺点。另一方面，0.2Pb（Mg1/3Nb2／3）O3-0.8Pb（Zr0.475 Ti0.25）O3陶瓷具有高的压电系数为600～700 PC N·1，在准同型相边界（MPB）附近的机械耦合系数为0.65，高温稳定（居里点为350℃）。这些优良特性使得PMN -PZT可用于高电场感应器件，例如致动器。

研究了压电作动器逆压电效应的原理[5，6]。特别是，在电场和压应力载荷下，关于畴壁运动的非线性压电特性已被深入研究（7—9）。一般认为，铅基钙钛矿系统的电畴运动被解释为180畴旋转和非180畴重新取向。压电钙钛矿材料（ABO3结构）的180畴由于B 离子的开关而容易反转，其开关现象几乎不出现迟滞现象。另一方面，非180畴重新取向现象负责非线性特性和电泳环。压电陶瓷的非线性行为已被报道，强烈地受到电场和压应力引起的畴壁运动的影响。Lynch（12）报道了压应力对PLZT的残余极化、压电系数和矫顽场的影响。在压应力较低的情况下，压电陶瓷的电场诱导应变得到改善。当对陶瓷施加进一步的压应力时，由于其阻尼现象，向电场方向旋转的畴的数量减少。其结果是，非线性行为发生，因为域上的重新取向或旋转吸收应变能。这种应变能的吸收对压电和介电性能的改变有相当大的影响。

本文利用PMN -PZT陶瓷对多层陶瓷致动器（MCA）的压电响应进行了研究。在考虑驱动行为和外部感应量（包括电场和机械应力）之间的关系的情况下，对非线性特性进行了解释。通过压电方程对实验结果进行了评价。

1. 实验

本研究选择的成分为0.2Pb（Mg1/3Nb2／3）O3-0.8Pb（Zr0.475 Ti0.25）O3。出发点材料为Pb O、ZrO2、TiO2、Mg O和Nb2O5粉末。高纯度99.9%制作多层陶瓷执行机构。粉末合成是用铌铁矿法（13）避免烧绿石部分煅烧过程中的相。所制备的粉末为与有机溶剂（MEK/乙醇）和分散剂（Ce RAPE 111）混合24小时，然后混合浆料用粘结剂（PVB）和增塑剂（DBP）进行再研磨。24小时，绿色胶带以薄片形式制成。厚度为100米，采用刮刀法。Ag/Pd（70/30）电极为2 毫米times;3 毫米。绿色胶带，然后绿色胶带堆叠，烧结在1100℃下2小时，烧结陶瓷致动器被极化。在硅油中保持电压为3 k V mm～1120℃浴30分钟，多层陶瓷驱动器承受0的机械载荷。990N使用电动机械装载系统示意图示于图1中。致动器样品放置在机械加载杆之间，然后用电

图1机电试验用压缩加载系统

测位移在100赫兹时场1 k V毫米1。在机电复合加载下，得到了应力-应变曲线。使用激光测振仪（G r u t t EC，日本）。为了测量谐振频率，采用HP 4194A阻抗/相位分析仪。谐振频率在阻抗频率曲线中确定。阻抗/相位分析仪。计算杨氏模量从共振频率和包含质量在内的物理性质之间的关系出发，杨氏模量和尺寸，描述如下：

其中f0是共振频率（Hz），kt，致动器。刚度（n m－1）；MEFF；致动器的有效质量（kg）；

Y33，杨氏模量；a＝致动器面积；L＝长度执行机构。

1. 结果与讨论

压电效应可以用吉布斯的形式来描述。自由能作为电和机械介质的函数。当感应电场或机械应力和压电电荷或应变沿同一方向时，吉布斯示出压电效应的自由能表示为[14 ]

其中X是应变；X，应力；E，电场；弹性柔度；和x，介电常数。通过确定等式（4）[ 14 ]的导数对于机械应力，可以简化为呈现逆压电效应的简化方程：

然后，它被描述为Eqs。（6）和（7）表示压电系数（d33），当给出如下边界条件〔14〕

从E q。（6）和（7），可以找到压电系数（d33）作为应变、电场的函数的表达式，

图2多层致动器的压电系数作为压缩应力的函数

介电系数、机械应力与有效弹性顺从。在这项研究中，我们测量了机电。在E q s被用作变量的因素。（6）和（7）；并对压电效应方程的有效性进行了评价。在实践中，决定了什么因素在起作用。在高机械应力和电场载荷下控制压电特性的重要作用。对于这个估计，属于EQS的所有术语。（6）和（7）采用实验方法和实验结果进行计算。然后，计算通过公式（7）比较压电系数d33。实验结果。这种比较用热力学概念的解释。图2示出了表观压电系数d33。致动器作为压缩应力的函数。恒下1 k V mm～1偏置电场的压应力给予致动器。压电系数d33随着压缩应力的增加，线性减小。此外，还有一个值得注意的地方：在15 M Pa的压缩应力载荷下观察到D33系数的值。可以解释几种机械应力加载下D33的减小峰值为15 M Pa。一个可能的解释是对D33行为的理解。电畴壁运动。也就是说，压缩应力。偏压电场对非180℃有显著影响。样品的畴壁运动。低压缩应力的加载导致非180℃体积分数的增加域和1 k V mm～1重定向的恒定电场更多的域数量比卸载的初始水平[15，16]。因此，压电系数（d33）增加。低压缩应力，因为增加的域数量。

图3示出了致动器的有效杨氏模量

作为压缩应力的函数。杨氏模量是从E q s计算出来的。（1）至（3）在实验部分中提到。确定共振频率图3。作为预加载函数的致动器的有效杨氏模量压应力模量由E q s计算。（1）至（3）和从阻抗-频率曲线中提取共振频率。从执行器下得到的阻抗-频率曲线压缩应力范围从0N到90 M Pa。如图3所示，当施加压缩应力时，杨氏模量显著增加。样品。杨氏模量的增加变小随着压缩应力的增加。图4示出了作为压缩应力的函数的介电常数。介电常数由应用中极化与电场之比极化电场1 k Vtimes;1压应力作用下致动器的曲线。这个介电常数随线性关系呈线性下降趋势。压缩应力，如图4所示。介电常数与压缩应力的降低可能是联系在一起的。由于应力引起的机械力可以起作用作为抵抗非180畴畴壁的运动。如图所示。2—4，压缩应力产生。压电系数d33、杨氏模量和介电常数减小。这些电介质和压电材料

图4介电常数作为预加载压应力的函数

图5从位移电场曲线中提取实验D33和从公式（7）计算出的D33

可以用非180-域解释性质下降壁运动是非线性特性的起源压电材料。诱导机械应力在材料中产生机械力非180-域的运动。一项调查〔15〕用电场反作用力的概念证明了电场作用下的场致应变能和机械能彼此相遇。这些两个能量项对应于第一和第二项。EQ（7）的右手。也就是说，变化在施加应力的介电常数中，表示为第三。EQ（7）项在研究中被忽略[14，17]。然而，在这项研究中发现，介电常数。改变可以为压电性能提供相当大的贡献。为了证明贡献，我们进行了比较。实验d33，从等式（7）计算值。图5示出了从位移电场曲线与计算出的D33Eq.（7）。为了比较，计算值，表示为模拟D33和修改的D33，也从第一次提出。

第二项EQ（7）。模拟D33计算从方程（7）与介电常数变化的忽略随着压缩应力的增加表现出小的变化。计算出的d33，表示为修改的d33，取自E q.（7）与实验系数更接近D33。虽然修改和实验系数在介质中闭合系数包括在内，仍有相当大的差距这两个系数。为了理解系数的差异，可以引入偏压场诱导材料压电系数d33的热力学计算〔18〕：

其中Q11是电荷相关的电致伸缩系数；p，在直流偏置状态下的极化；ε33，介电常数。考虑图中的结果。4和5P和ε33的减少是很小的，以减少D33系数。因此，Q11对系数的减小负有相当大的责任。涉及物理指示偏置域在高应力加载下变得去极化[ 19 - 21 ]。那当施加压缩应力时，180域被转换为非180畴。因此，Q11成为减少。从图5的结果可以看出和E q.（8），介电常数变化和电荷电致伸缩系数的变化都有助于偏置场诱导的压电系数（D33）机械应力加载下的执行机构。压电陶瓷系数（d33），当受到联合载荷电场和压应力表现出较高的响应。在初始压缩应力状态下的介电常数（ε r），以及电荷相关电致伸缩系数（Q11）。

进一步压缩应力加载。因此，它可以是结论压电系数随压应力的变化不仅与应力有关，而且与电性有关。电场和弹性柔顺性，也与电介质的变化有关介电常数和电致伸缩系数。后一项

与非180畴重新定向有着密切的关系，这就产生了非线性压电特性。

4。总结

考虑PMN -ZT陶瓷的多层陶瓷致动器的非线性压电促动行为与外源性诱导的关系包括电场和机械应力在内的量调查。如本文的结果所示，MCA在复合载荷下的压电性能。压应力和电场变化较大介电常数。此外，电荷相关电致伸缩系数也影响压电响应。多层陶瓷致动器。

工具书类

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