多元整体压电变形反射镜(研究阶段进展报告)

叙述了变形反射镜的分类、用途及主要性能。介绍了我们自己研制的直径为φ24(四元)、φ50(十三元、二十一元、和二十三元)的整体压电变形反射镜的情况,检测方法与部份检测结果。提出了下阶段需要进一步研究的几个问题。     

多元整体压电变形反射镜(二)——变形反射镜的工作寿命

本文报导了对多元整体压电变形反射镜(以下简称变形镜)工作寿命的分析试验研究结果,介绍了影响变形镜工作寿命的种种因素及分析检测的结果,并提出了改善变形镜工作寿命的一些关键措施。     

两维高速压电倾斜反射镜

介绍了两维高速压电倾斜反射镜（以下简称倾斜镜）的性能分析、工作原理和我们研制的各种倾斜镜。     

利用厚度剪切压电效应的2—2型压电复合材料的性能研究

制备了利用厚度剪切压电效应的２２型压电复合材料，测试了在电场作用下压电复合材料的变形特性，初步研究了不同参数对压电复合材料变形性能的影响。结果表明：（１）由于柔性聚合物的加入，压电复合材料的变形性能得到了大幅度的提高；（２）随着ＰＺＴ体积份数的增大，压电复合材料的变形量增大，直至达到最大，随后则随着ＰＺＴ体积份数的增大而下降；（３）ＰＺＴ单元的尺寸越小，压电复合材料的变形量越大。     

金属基压电扫描振镜的设计与测试

本文设计了一维金属基压电扫描振镜并进行了性能测试.该振镜利用金属微铰链梁将压电振子的伸缩振动转化为硅反射镜的旋转振动,具有扫描角度大、可靠性高、成本低廉的特点.首先,建立了压电振镜的有限元模型,通过模态分析和谐振响应分析得到了振镜的谐振模态以及扫描角度极限随铰链梁尺寸和位置的变化关系.接着,制备了由压电振子、钢片基底和硅反射镜组成的振镜样机.最后,对振镜的幅频特性进行了性能测试.结果表明:2 mm×2 mm的反射镜在120V_(pp)的电压驱动下可在谐振频率5.34 k Hz处产生21°的扫描角度.随着驱动电压幅值的增加,一阶扭转谐振频率会略微下降.振镜样机Q值达144,扫描角度与驱动电压幅值呈线性关系.该振镜具有较大的镜面尺寸和扫描角度,制作工艺简单、抗冲击性能好,可满足流式细胞扫描成像高分辨率和模块化、批量化的应用需求.     

变形反射镜薄膜应力与元件变形有限元研究

残余应力是变形反射镜面临的一个重要问题。考虑薄膜中残余应力的起源,利用有限元软件建立了变形反射镜有限元模型。基于所建立的有限元模型,计算变形镜各部分受薄膜残余应力作用后的变形与应力分布。与试验测量结果进行对比,计算结果表明,建立的模型是合理的,薄膜产生的残余应力为张应力,氟化物薄膜产生的张应力大于ZnS薄膜产生的压应力,残余应力主要集中在变形反射镜镜面上,基本呈放射状分布,外圈驱动器受到应力较大。     

基于MEMS技术的新型变形反射镜

基于MEMS技术体硅工艺,提出一种新型大有效面积的连续变形反射镜的设计制造方法。依工艺流程中的实际情况与结果,分析了在制造过程中遇到的大面积腔体深腐蚀中凸角腐蚀和键合中小空隙粘合等关键问题,设计实施了T形补偿角、延长驱动线等解决方案。用此方法制造出有效反射面积30mm×30mm,最大变形量1.2μm,49驱动电极的新型变形反射镜。10-200V电压范围内得到的该变形反射镜镜面变形数据与模拟结果具有很好的一致性。     

2 m SiC 反射镜拱形轻量化结构设计

针对口径为2 060 mm 的地基大口径望远镜主反射镜,选用SiC 材料和新型拱形轻量化结构进行了详细的轻量化参数设计,并对支撑环半径进行了优化.对于Whiffle tree 18 点支撑和27 点支撑形式,从静力学(重力作用)和热力学两方面对比分析了两种轻量化结构的镜面变形,结合SiC 反射镜的加工工艺,最终确定18 点支撑的轻量化结构为首选方案.同时,就SiC 反射镜对稳态温度差导致的热变形较敏感的问题,提出可通过设计与镜体热变形相匹配的支撑结构来满足镜面变形的要求.     

模态自适应相位调制的多压电元件压电分流系统

在含有多个压电元件的压电分流系统中,各压电元件的输出电压之间的相位关系会随着结构振动模态的变化而变化,导致诱发电荷中和抵消,降低了压电分流系统的抑振效果。由此,本文提出了几种典型的等效电压源网络拓扑结构,在分析各自优缺点的基础上,将并联连接确定为最佳组网方式。针对此组网方式,为了保证在不同阶次的模态响应下,各压电元件的输出电压均保持同相,提出了具有模态自适应能力的相位调制技术,并设计制作了相应的模拟电路。仿真结果表明,该系统能够可靠的完成自适应相位调制,避免了电荷中和现象的出现。     

碳纤维复合材料空间反射镜制造技术研究进展

碳纤维复合材料(CFRP)具有比刚度高、热稳定性好,可设计性强等特点,成为轻量化反射镜制造的新型理想材料,特别适合大口径、高分辨率空间反射镜的制造。简单介绍空间光学反射镜的国内外研究应用的现状。根据反射镜的特点介绍了碳纤维复合材料的材料选择要求,以及国外常用碳纤维复合材料预浸料体系。碳纤维复合材料反射镜制造方法与传统光学材料反射镜的制造不同,一般采用高效、快速、制造成本低的复制工艺来实现。总结了碳纤维复合材料反射镜的复制工艺和反射镜复制精度的影响因素,影响因素包括复制模具、预浸料铺层、反射镜变形、纤维印痕现象、尺寸稳定性以及反射镜尺寸等,并对前五项影响因素提出相应的控制措施来减小影响程度。重点阐述了反射镜纤维印痕现象的成因和解决方法,以及控制尺寸稳定性的关键。     

国外新发展的一种微位移驱动材料——弛豫型铁电体

一、前言七十年代中期以来,国际上为了发展自适应光学,对于实时校正波前畸变和补偿各路光束间的光程差所需要的压电陶瓷材料及用此材料制成的可变形或微调反射镜等执行元件开展了多方面的研究工作。     

PMN-PT驰豫铁电单晶及其超声换能器性能研究

测试了PMN－PT（67／33）切型铁电单晶的机电性能,分析了该晶体与常用压电材料在微观结构和机电性能上差异。对该压电单晶未调末调制下纵向长度伸缩振动模超声换能器性能进行了理论分析。讨论了压电单晶的机械和介电损耗对超声换能器性能的规律。     

绝对节点坐标法中压电层合板的大变形研究

压电层合板可以通过对作动器施加电压变形为各种形态,在智能可折叠结构领域具有潜在的应用前景。理解这种结构的大变形作动机理是软体智能结构设计的基础。利用等效单层模型,基于绝对节点坐标法（ANCF）,建立了一种柔性压电层合薄板单元。引入了压电材料的本构方程来推导弹性力和压电力,建立了压电层合薄板单元的动力学方程,并对比了在大变形范围内三种曲率表达形式的收敛效果。通过与 ABAQUS 有限元软件求得的结果进行比较,验证了压电层合薄板单元的正确性,并给出了一些大变形算例。结果表明,在压电材料全覆盖、部分覆盖、多段覆盖等情形下,该单元均能得到较为稳定的结果,表明此单元可以与单层线弹性单元进行耦合。此外还研究了压电层合板受集中力状态下的动态响应。该研究有助于理解受智能压电材料驱动的柔性或软体结构的复杂耦合非线性力学行为。     

波在考虑热载荷和转动惯量效应的非线性大变形多层压电层合壳内的传播研究

研究了非线性大变形、层合壳的铺设形式、转动惯量及热载荷效应对波在压电层合壳中传播的影响。首先利用Hamilton最小势能变分原理推导了波在大变形压电层合壳内传播的非线性动力学平衡方程;通过求解方程特征值得到了波传播特征曲线;数值算例表明波在压电层合壳内传播与壳体大变形、转动惯量以及热载荷有关,并与线性小变形理论(Cooper-Naghdi壳体理论)进行了比较。     

压电厚膜驱动的高刚度微变形镜的制备

研究制备了一种压电厚膜微变形镜,微变形镜的连续薄膜式单晶硅镜面由61单元压电厚膜致动器阵列驱动.以镜面冲程与工作频带宽为目标,对微变形镜的结构参数进行优化设计,根据优化参数采用硅微加工技术试制了61单元致动器的微变形镜.镜面、压电陶瓷与弹性支撑层厚度分别为100μm、60μm与60μm,单元间距为5mm,通光口径为40 mm.对制备的样品性能进行了测试,微变形镜在100 V电压驱动下变形量约为2.84μm,工作带宽大于10 kHz.测试结果还表明压电厚膜驱动的微变形镜拥有较高刚度,有利于提高镜面初始平面度.     

变截面压电层合梁自由振动分析

考虑压电材料的质量效应和刚度效应,将表面粘贴或埋入式压电悬臂梁看作变截面梁,研究压电材料对智能结构固有特性的影响。基于一阶剪切变形理论导出压电层合梁的抗弯刚度和横向剪切刚度,计及梁的剪切变形和转动惯量,采用Timoshenko理论推导变截面压电层合梁的频率方程。给出了T300/970压电层合梁和硬铝压电层合梁的前3阶固有频率,并和有限元结果、等截面梁的计算结果进行比较。计算表明,压电材料对压电结构固有频率和固有振型的影响显著,在以振动控制为目标的压电结构动力学建模过程中,有必要考虑压电材料的质量和刚度。     

大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验

针对大位移压电陶瓷驱动器，研究了压电陶瓷双晶片的驱动效能。基于压电陶瓷材料的逆压电效应，应用压电陶瓷双晶片在机械自由、电学短路状态下，一片加正向电压缩短另一片加反向电压伸长共同作用产生弯曲变形，通过组合设计将压电陶瓷双晶片的弯曲变形位移叠加起来，实现了压电陶瓷驱动器的大位移输出。在相同电压的条件下，此压电陶瓷驱动器的输出位移量比叠层驱动器有较大的增加，达200μm，结构尺寸也大大减小。该驱动器不需要位移放大机构，可直接应用于有大位移要求的机构驱动。     

变形反射镜的发展

介绍了我们的变形反射镜（以下简称变形镜）的研制发展过程，叙述了变形镜的主要性能的定义和要求及其测试方法，列举了我们已在自适应光学系统中成功应用的几种变形镜和有关研究工作的进展并指出今后的发展展望。     

大口径反射镜侧支撑结构力学分析

从理论上论述了在真空望远镜主反射镜的几种侧支撑结构,并运用有限元法对之分别进行了分析计算,得到使用了不同侧支撑结构的真空望远镜主镜在不同观测角度时的表面变形结果,通过比较变形结果,得到使用新配方粘接剂的粘接侧支撑机构支撑效果更好.在已确定使用Grubb十八点底支撑结构后,分析了使用粘接剂的侧支撑结构主反射镜变形与应力情况.通过有限元分析结果,得出变形结果符合整个光学系统的公差要求,同时证明了使用改性粘接剂的侧支撑系统可有效减少光学件表面变形量.     

内嵌倾斜压电柱复合材料板的压电振动特性分析

针对1-3型内嵌倾斜压电柱复合板结构,建立压电复合板结构的有限元模型,并推导出变形关系和形函数;应用拉格朗日方程,建立了单元结构的运动方程。针对不同倾斜角度压电柱复合板进行有限元仿真分析,研究了复合压电板的正压电特性,并对复合压电板的能量损耗因子进行分析。研究结果表明：在相同压力下,压电柱的倾斜角度对复合板的弯曲模态频率影响较大。随着压电柱体倾斜角度的增大,模态频率降低,弯曲变形增大;同时,倾斜柱体棱长变长,产生电压增大。悬臂板在压力作用下,沿宽度方向产生反对称电势。在压电陶瓷柱的倾角达到57时,损耗因子达到最大。采用内嵌式倾斜压电柱复合板结构,降低了压电板的脆性,保证大尺寸压电板的结构均匀性和应用。