Материально- техническая база пьезоэлектрических исполнительных устройств

1. Материально- техническая база пьезоэлектрических исполнительных устройств

2. ПЬЕЗОМАТЕРИАЛЫ Монокристаллы

3. Поликристаллические материалы (Пьезокерамика)

4. Параметры пьезоматериала • d (d33,d31) – пьезомодули (по направлению рабочих деформаций) определяют рабочий диапазон перемещений исполнительного устройства. • Кэм (k33,k31) - 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.

5. 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.

6. 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%.

7. 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.

8. 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.

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

10. Пьезоэлементы

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

12. 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