压电及铁电陶瓷应用研究的某些进展

对压电陶瓷在声马达、机敏及智能器件中的应用研究进展作了简要综述,特别介绍了压电陶瓷/金属复合薄板振动模式、声马达振动模式的有限元分析等研究的新成果。同时,对驰豫铁电陶瓷的研究进展也作了评述。     

国内压电陶瓷声马达的研究现状

综述了国内部分压电陶瓷声马达的研究发展情况,指出其产品开发所面临的困难,并提出今后需要进步解决的一些关键问题。     

F4 超声驻波马达耦合振子研究

Ｆ３环形行波马达的无负荷转速随定子上所加电压及定子尺寸的变化陈新业，周铁英（清华大学物理系声研室北京·１０００８４）从广义压电方程组出发，利用已得出的压电陶瓷一金属复合薄板的微分运动方程，解得长矩形板在一维情况下的弯曲振动挠度分布。在环形行波马达定于...     

Sm掺杂增强PZT基弛豫型铁电陶瓷压电性能研究

锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷是一类应用非常广泛的功能材料, 可应用于水声换能器、压电马达、医疗超声换能器以及声表面波滤波器等。通过改性提高PZT基压电陶瓷的压电性能一直是该领域的研究热点。本工作采用传统固相反应法制备了准同型相界(Morphotropic Phase Boundary, MPB)组分的Sm-0.25PMN-0.75PZT压电陶瓷, 并对其微观结构以及宏观性能进行了系统研究。研究结果表明：引入Sm³⁺可以增强压电陶瓷的局域结构异质性, 提升介电响应从而提高压电性能。当Sm³⁺引入过多时, 铁电极化的长程连续性被大面积打断, 压电性能下降。本实验中得到的最优组分压电陶瓷性能为：高压电系数d₃₃~824 pC/N, 高压电电压常数g₃₃~27.1×10^-3 m²/C和相对较高居里温度T_C~178 ℃, 电致应变在室温至150 ℃范围内低于5%, 有较好的温度稳定性, 是极具应用前景的高性能压电材料。     

铌掺杂PMS-PZ-PT三元系压电陶瓷温度稳定性研究

研究了软性Nb₂O₅掺杂对PMS-PZ-PT三元系压电陶瓷温度稳定性能的影响.实验结果表明,适量的掺杂不仅能优化体系的压电性能,而且改善了体系的温度稳定性.改性后的三元系陶瓷频移小,机电耦合系数K₃₁的温度稳定性较好,同时压电常数d₃₁温度稳定性也得到了改善,能满足超声马达等器件对压电陶瓷材料性能的要求.     

从发明专利看无铅压电陶瓷的研究与发展--无铅压电陶瓷2O年发明专利分析之一

无铅压电陶瓷的研究与开发已引起世界各国的高度重视.本文综合分析了近20年无铅压电陶瓷发明专利约140篇,从发明专利角度评述了无铅压电陶瓷的研究与发展现状,简要介绍了目前受到广泛研究的BaTiO3(BT)基无铅压电陶瓷、Bi1/2Na1/2TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷及铌酸盐系无铅压电陶瓷,并侧重介绍这些无铅压电陶瓷的组分、性能和制备方法.从无铅压电陶瓷发明专利的进展可以看出,在过去20年中,为促进人类社会的可持续发展,无铅压电陶瓷得到了广泛的研究和开发,并取得重要进展.     

从发明专利看无铅压电陶瓷的研究与发展——无铅压电陶瓷20年发明专利分析之一

无铅压电陶瓷的研究与开发已引起世界各国的高度重视。本文综合分析了近20年无铅压电陶瓷发明专利约140篇。从发明专利角度评述了无铅压电陶瓷的研究与发展现状，简要介绍了目前受到广泛研究的BaTiO3(BT)基无铅压电陶瓷、Bi1/2Na1/2TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷及铌酸盐系无铅压电陶瓷，并侧重介绍这些无铅压电陶瓷的组分、性能和制备方法。从无铅压电陶瓷发明专利的进展可以看出，在过去20年中，为促进人类社会的可持续发展，无铅压电陶瓷得到了广泛的研究和开发，并取得重要进展。     

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的相变特性和掺杂改性研究进展

人类社会可持续发展的要求以及一些发达国家有关电子产品无铅化法规的全面实施,近年来无铅压电陶瓷的研究与开发受到极大关注.碱金属铌酸盐系压电陶瓷以其优越的压电性能和较高居里温度受到人们高度重视.结合近年有关KNbO3-NaNbO3(KNN)基无铅压电陶瓷的报道,着重从KNN基压电陶瓷的相变特性、掺杂改性和引入第三组元等几个方面,介绍了相关研究的现状,并对KNN基压电陶瓷的发展趋势进行了展望.     

F2 一种结构改进型驻波马达及振动模式分析

Ｆ１圆板形行波马达及理论分析董蜀湘，李龙土，桂治轮，周铁英（清华大学材料科学与工程系北京·１０００８４）本文从压电陶瓷／金属复合薄板的理论分析出发，建立了压电复合薄板所满足的“广义压电方程组”，结合有限元方法分析了圆板形行波马达的各阶振动模态（１～５...     

基于压电效应的人工耳蜗的实验研究

为了提高聋耳的听力, 将压电材料植入到耳蜗内, 利用压电效应直接将声波转化为电信号刺激听神经, 以提高听力. 本研究通过未极化与极化的高灵敏性压电陶瓷的对比, 从体外模拟实验中的声电响应曲线和动物体内植入实验的结果中得到: 未极化的压电陶瓷没有压电响应, 而极化后的压电陶瓷能够将声音信号转化为电信号, 证实了压电陶瓷的压电特性的确可以刺激动物的听神经, 从而降低听阈阈值. 比较了压电陶瓷与压电高分子之间的差异, 结果表明压电高分子也可以刺激听神经来提高听力.     

Ultrasonic motors using piezoelectric ceramic multimode vibrators

The development is reported of an ultrasonic motor using piezoelectric ceramic multimode vibrators consisting of circular or annular plates in which degenerate horizontal vibration modes of the same or different form are used. Two orthogonal nonaxisymmetric vibration modes were used in the same-form case, and the combination of a nonaxisymmetric vibration mode and a radial vibration mode was used in the different-forms case. Some details of the motor design and its experimental characteristics are presented. The ultrasonic motor presented here has a special advantage in its thin construction.     

微系统用超声微电机的研究现状和发展趋势

 微电机是微机电系统(MEMS)的核心，超声微电机是一个新的发展方向．这几年发展十分迅速． 首先对比分析超声微电机与电磁型微电机和静电微电机的区别，对国内外现有的几种超声微电机及其发展趋势进行了介绍和分析，指出目前超声微电机发展存在研究定位不明和关键技术尚未完全解决两大问题。并提出了今后超声微电机发展的研究定位和必须解决的一些关键技术，其应用重点是军民两用，特别是军工． 最后，指出市场牵引和工程实现是超声微电机取得突破的关键因素的同时，政府、产业和研究单位各方面的重视和形成合力则是推进我国超声微电机研究和产业化的关键．     

超声马达涂层摩擦材料研究

超声马达是一种依靠摩擦力驱动的新型驱动器,摩擦材料对超声马达的性能有重要的影响.以环氧树脂为基体,选择MoS2粉、晶须和Cu粉为填料,利用表面粘涂法制备了两种规格的涂层摩擦材料试样,研究了填料含量对涂层摩擦材料摩擦学性能及硬度的影响;借助正交设计和回归分析实验方法,研制出一种基本满足超声马达使用要求的涂层摩擦材料.在超声马达摩擦特性模拟试验装置上考察了涂层摩擦材料厚度对超声马达性能的影响.研究表明,在本文的实验条件下,当涂层摩擦材料厚度为1mm时,超声马达具有较好性能.     

超声电机定子热机电耦合特性

应用于极端环境的超声电机会受到温度场、应力场和电场的共同作用,定子在热机电耦合激励下的响应与电机工作特性密切相关.以行波型旋转超声电机为对象建立定子的能量泛函,采用假设模态的方法得到了热机电耦合动力学模型.运用有限元方法对热机电耦合作用下的定子进行仿真,分析了与理论计算结果的差异.建立了定子热扫频试验平台和热变形试验平台,测定温度对定子稳态形变、模态频率和振幅的影响,对理论模型的分析方法进行了评价.理论分析和试验结果揭示了超声电机定子在热机电耦合作用下的振动行为的变化规律,为下一步极端环境超声电机的设计和优化提供了依据.     

Tactile measuring systems for the recognition of unknown surfaces

A novel smart tactile sensor that recognizes the nature of the surfaces is presented. The approach is based on the idea of analyzing the signal produced when the sensor touches and stimulates the surface. An "intelligent probing" system for material recognition has been developed. It is based on the use of bimorph piezo-ceramic actuators and sensors that allow the unknown surface to be stimulated and the response signal sensed. Two different experimental prototypes of the tactile sensing system have been realized and their performance has been characterized. Several interesting applications have been considered with particular emphasis on the problems of "humanitarian demining" and automatic waste material recycling. Experimental results are given to show the efficiency of the smart measuring system     

Wear and dynamic properties of piezoelectric ultrasonic motor with frictional materials coated stator

Piezoelectric ultrasonic motors have been studied, developed and utilized by researchers and companies all over the world. Ultrasonic motors (USM) produce rotational motion based on traveling waves made by the resonant vibrations of piezoceramic. These motors have been recently developed and utilized in practical applications. The dynamic properties and life of piezoelectric ultrasonic motors are strongly related to the frictional material Fused on the sliding surface. In this study, effects of frictional material properties on the performances of piezoelectric ultrasonic motors are investigated. It was possible to improve the torque of a traveling wave type ultrasonic motor by stator's coating.     

Standing wave bi-directional linearly moving ultrasonic motor

A standing wave bi-directional linearly moving ultrasonic motor has been studied for the purpose of implementing a practical linear ultrasonic motor with simple structure, simple driving and high resolution. The fundamental principle of this linear motor is projections on the right sides of a standing wave crests generating thrust force right-diagonally on the slider pressed against the projections. Correspondingly, projections on the left sides of the wave crests make the slider move toward the left. In order to realize bi-directional actuating, vibration mode B3 or B4 is excited in a rectangular plate-type vibrator to make the projections on the right sides or the left sides of the wave crests. In this paper, the operation principle of the linear motor is demonstrated. Furthermore, a prototype linear ultrasonic motor of 40 mm in length, 10 mm in width is fabricated and investigated. The following performances have been achieved: maximum speed 200 mm/s, maximum force output 150 gf, and resolution less than 0.1 mum.     

轻拍式探针和光杠杆

本文首先由理论分析导出薄片压电陶瓷激振的悬臂式轻拍探针振幅─—频率表示式．该公式为振幅、相位或频率测量的轻拍式探针用于待测表面瞄准（或定位）技术提供理论依据．同时，在上述理论分析基础上作了大量实验，从获得的数据中，一方面验证理论分析的适用范围，另外也提出了最佳定位点的存在以及它的判别方法．     

Novel method for driving the ultrasonic motor

This paper reports a novel driving method for an annular plate-type ultrasonic motor. Instead of the direct current/alternating current (DC/AC) converter type driver using a conventional electromagnetic transformer, a compact disc-type piezoelectric transformer is used to obtain a high voltage output for driving the ultrasonic motor. The piezoelectric transformer is operated in the radial vibration mode at resonance frequency close to the resonance frequency of the ultrasonic motor. Later, it was found that the piezoelectric transformer could drive the ultrasonic motor, even if their resonance frequencies are not exactly the same by incorporating a matching network in the circuit. The maximum speed of the ultrasonic motor obtained by using this driving method is over 300 rpm. It is believed that the results of this study will have impact on the integration and miniaturization of the ultrasonic motor and its driving circuit.     

Y形旋转超声波马达的设计与动态特性分析

为了探索和丰富旋转超声波马达的结构,使其满足响应精准且速度快以及控制简便的要求,设计了Y形旋转超声波马达,并对其结构及动态特性进行了分析。Y形旋转超声波马达将3组压电陶瓷片的横向振动复合成驱动足端面对转子的微幅驱动,通过摩擦耦合在惯性作用下推动转子顺时针或逆时针旋转。运用Workbench软件中的Design Exporation组件对Y形旋转超声波马达定子组件的结构尺寸进行了优化设计,提升了定子组件的性能。构建优化后Y形旋转超声波马达定子组件的有限元仿真模型,并通过模态分析获得了定子组件工作所需的固有振型,通过谐响应分析获得了定子组件的幅频特性曲线,通过瞬态分析获得了1个激励周期内定子组件的振动模态,验证了Y形旋转超声波马达的驱动机理。结果表明,Y形旋转超声波马达压电陶瓷片表面施加电压的最佳频率为20 739 Hz,对应的驱动足端面的振幅为6.95 μm。Y形旋转超声波马达结构简单且具有对称性,能效利用率高,对拓宽超声波马达的应用领域有重要参考价值。