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叠堆压电陶瓷结构特点

1 叠堆型压电陶瓷

叠堆型压电陶瓷又被称为压电致动器、压电执行器、压电促动器等。叠堆型压电陶瓷是将压电陶瓷基片,通过叠层粘结共烧工艺形成的(单层压电陶瓷基片的厚度为100μm左右),这种工艺制备的压电陶瓷可以承受很大的压力,刚度大,但所承受的拉力有限。

叠堆型压电陶瓷包括大量的陶瓷薄片。其结构特点是供电电极被设计在陶瓷薄片的两侧,陶瓷整个截面积均可参加致动,出力很大,性能可以完好展现,而且不存在局部电场变形,不易出现点应力。图2.1展示了一个由PZT(锆钛酸铅)陶瓷层叠堆形成的压电陶瓷,多层陶瓷薄片连接形成了多层电容器结构。对陶瓷施加电压后,压电陶瓷在Z轴方向会做伸长运动(伸长量的大典型值是陶瓷长度的0.1%-0.2%)。出力是通过上下端面输出给外部机械结构的。

 

图2.1

压电陶瓷逆压电效应的大位移,取决于所加电场强度和陶瓷材料的磁化饱和度。陶瓷的击穿电压限制了大电场强度。对应使用不同厚度的单层陶瓷基片,场强值可对应不同的电压值。而对于更小厚度的薄片,大电压会有所降低。现在叠堆型压电陶瓷组成陶瓷薄片的厚度一般为100μm,典型的使用电压为150V。

2叠堆型压电陶瓷的分类

叠堆型压电陶瓷分为低压和高压两种类型,这两种类型陶瓷的生产工艺是完全不同的:

●低电压压电陶瓷的电压使用范围为0-150V,陶瓷层及内部的金属电极层在高温烧结之前被层叠在一起,然后进行高温烧结。内部电极是非常薄的金属膜(厚度约1μm)。这种制作陶瓷的工艺通常被称为“单片共烧工艺”。

●高电压压电陶瓷的电压使用范围为0~500V或1000 V,在叠堆前就已经完全烧结并制成PZT板/片。插入电极是由单独的薄金属箔制成。整个结构用一种特殊的高品质胶粘剂来固定在一起。因此,高压叠堆陶瓷不是一个整块陶瓷,而是一种复合材料。

 3叠堆型压电陶瓷使用的注意事项

由于叠堆型压电陶瓷是将压电陶瓷薄片,通过叠层粘结共烧工艺形成的,这种工艺特点使得其抗压强度远远大于其拉伸强度。

当陶瓷动态应用时,由于陶瓷材料本身的加速度,压缩力和拉伸力同时产生。 为了避免损坏压电陶瓷,可以采用给陶瓷加预载力的方式来保护陶瓷,一般情况下,预载力的大小为大负载的十分之一。

 

以下情况下,建议使用有预载力的致动器:

  • 拉力会作用于致动器
  • 动态应用
  • 剪切力(垂直于运动方向以外的力)作用于致动器

 

压电陶瓷不能承受剪切力、侧向力以及扭转力。加载于陶瓷移动端的力应尽量作用于陶瓷运动方向的中心。陶瓷的四周应尽量保持不受夹持。

 

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