Материально- техническая база пьезоэлектрических исполнительных устройств

ПЬЕЗОМАТЕРИАЛЫ Плот- ност ь, х 10 3 кг/м 3 Скорос ть звука, С зв, х 10 3 м/с ек Диэлектри ческая проницаем ость, Пьезо- мод уль, d, к/н Тангенс угла диэлек тричес ких потерь, tg d×10 2 Коэф- фициент электро- механи- ческой связи Кэм Кварц 2,65,44,52,31< 0,50,095 Дегидрофосфат аммония (АДР) 1,85,2721,824< 10,3 Сульфат лития 2,054,710,318,3< 10,37 Сегнетова соль 1,773, > 50,67 Турмалин 3,267,157,5 2,5 < 0,50,098 Монокристаллы

Характеристики Cегнетомягкие материалы Материалы средней сегнетожесткости Высокотемпературные материалы Обозначен ие Единица измерения ЦТС-19НЦТС-1ЦТБС-8ЦТС-43THB-1ЦТС-26 TkTk °С ε т 33 /ε ε т 11 /ε tg δ, не более%2,52,00,400, QmQm , vE1vE м/с 3,02,873, σрσр -0,37--0, kpkp -0,550,600,560, k 15 -0, k 33 -0,67-0,680, d Кл/Н d Кл/Н d Кл/Н g В*м/Н-10,3-7,3-11,3-10, g В*м/Н22,6-15,525,422,67.9 T раб °С ρ v, (при 100°С) 10 8, Ом*м 1, Поликристаллические материалы (Пьезокерамика)

Параметры пьезоматериала d (d 33,d 31 ) – пьезомодули (по направлению рабочих деформаций) определяют рабочий диапазон перемещений исполнительного устройства. К эм (k 33,k 31 ) - коэффициенты электромеханической связи характеризуют эффективность преобразования электрической энергии, подводимой к материалу, в механическую. Квадрат коэффициента электромеханической связи равен отношению генерируемой механической энергии к подводимой электрической энергии (в случае обратного пьезоэффекта). Коэффициент электромеханической связи зависит как от свойств материала, так и от направлений, в которых подводится и снимается энергия. Поэтому каждый материал может характеризоваться несколькими такими коэффициентами в зависимости от вида преобразования. Так, например, коэффициент k33 характеризует степень преобразования энергии возбуждающего электрического поля, направленного по оси поляризации, в энергию продольной деформации в том же направлении; коэффициент k31 характеризует степень преобразования энергии того же поля в энергию деформации, перпендикулярной направлению поля. Yij – модуль Юнга определяет упругие и резонансные свойства материала.

Параметры пьезоматериала Qм – характеризует потери энергии в материале на внутреннее трение, определяет эффективную ширину полосы пропускания, влияет на степень затухания колебательных процессов. r – относительная диэлектрическая проницаемость определяет полное сопротивление пьезоэлемента, характеризует диэлектрические и в конечном итоге емкостные свойства пьезоэлемента. tg и tg – тангенсы углов диэлектрических и механических потерь характеризует диэлектрические и механические потери в материале. Тк – температура Кюри определяет предельную температуру, при которой наступает область фазового перехода в материале (тепловое движение молекул разрушает дипольную структуру материала и пьезоэлектрические свойства исчезают). Т – рекомендуемый рабочий диапазон температур, в котором флуктуации параметров материала будут находится в пределах допустимых значений.

Причины нелинейности статических характеристик пьезодвигателей последействие (ползучесть) обусловлено релаксационными процессами в пьезокерамике. Величина деформации последействия пропорциональна изменению напряжения и может достигать 20% от рабочего диапазона деформаций; Гистерезис материала возникает из–за наличия диэлектрических и механических потерь, его величина для разных материалов находится в пределах 10– 40%.

Потери в пьезокерамике Рост диэлектрических потерь наблюдается в области пьезоэлектрического резонанса, на низких частотах до 1000 Гц изменениями диэлектрических потерь пренебрегают; Механические потери проявляются в том, что между приложенным электрическим напряжением и возникающей деформацией имеется сдвиг фаз, тогда tg служит мерой относительных потерь механической энергии за один цикл.

Общий угол потерь Углы диэлектрических и механических потерь на низких частотах одновременно создают общий угол потерь Очертание петли гистерезиса остается неизменным при изменении частоты управляющего напряжения, а значит, будет постоянным и общий угол сдвига фаз между приложенным напряжением и деформацией при неизменной амплитуде сигнала в достаточном удалении от резонансных частот.

Технологический процесс изготовления пьезокерамических изделий Синтез материала Изготовление заготовок Обжиг Механическая обработка Нанесение электродов Поляризация Термостабилизация (искусственное старение) Выходной контроль пьезоэлементов

Пьезоэлементы

Свойства пьезоэлементов Поле с напряженностью E i, направленное вдоль оси i, вызывает деформацию пьезоэлемента по всем трем геометрическим осям. Значение деформации в направлении некоторой оси j от действия Е i, направленного вдоль этой же оси (i=j) или другой (i j) оси, пропорционально напряженности Е i. Коэффициенты пропорциональности носят название пьезомодулей и обозначаются d ij.

Основные характеристики пьезоэлементов вдоль оси 3 :вдоль оси 1 : 1. Коэффициент упругости элемента Ку, Н/м 2. Коэффициенты прямого и обратного пьезоэффектов КП и Ко, Н/В 3. Электрическая емкость элемента С0, Ф 4. Деформация под действием внешней механической нагрузки 5. Собственная частота элемента