叉指形电极压电驱动器性能分析

分析了叉指形电极压电驱动器的结构特点和电场结构。给出了压电驱动器的本构方程,建立了叉指形电极压电驱动器的有限元模型,研究了指形电极关键尺寸和压电片厚度尺寸对驱动器应力、应变的影响,对比分析了普通电极压电驱动器的应力和应变性能。研究结果表明:叉指形电极压电驱动器比普通电极压电驱动器驱动应力大,最大可以高达5倍;具有明显的正交异性,横向效应系数为–2.16;减小电极中心距和压电片厚度能提高驱动器性能。     

螺旋电极压电扭转驱动器的设计与有限元分析

该文设计了一种新型叉指型电极（IDE）结构形式的螺旋电极压电扭转驱动器,推导并建立了螺旋电极平面有效电极区域内点的应变理论方程。利用ABAQUS对该理论方程进行验证,并着重研究了电压、径向尺寸、圆盘厚度对该压电驱动器应变的影响。结果表明,螺旋电极压电扭转驱动器能够产生较大的切向应变和径向应变输出;增大电压,减小压电圆盘径向尺寸和压电圆盘厚度,有利于提高驱动器的驱动性能;在螺旋角、压电圆盘径向尺寸和电压一定时,螺旋电极压电扭转驱动器的切向应变达到普通电极型的17.5倍,径向应变是普通电极型的16倍。     

细观结构特性对压电叠堆内部应力场的影响分析

压电叠堆的内部应力场是影响其可靠性的主要因素之一。基于COMSOL Multiphysics有限元软件,建立了精细尺度的压电叠堆有限元计算模型,通过理论分析验证了模型的准确性。对比分析了不同电极构型、陶瓷层厚度以及有无过渡段等细观结构特性对叠堆内部应力场的影响。结果表明,两种电极构型压电叠堆的内部都存在应力集中现象,叉指电极型叠堆的最大应力集中值远高于全电极;改变陶瓷层的厚度不影响叠堆内部应力集中的分布位置,最大切向应力随厚度的增大而减小,最大法向应力随厚度增大而增大;设置过渡段陶瓷可以有效地减少过渡部位活性陶瓷的最大应力集中值,增强压电叠堆的可靠性。     

1—3型压电陶瓷复合材料的研究

本文主要介绍１－３型压电陶瓷复合材料，并将它的主要性能与纯ＰＺＴ陶瓷材料进行了比较，找到了１－３型压电陶瓷复合材料的机电性能随ＰＺＴ陶瓷材料体积比变化的规律。     

基于主动约束阻尼层的次镜支撑结构设计

为了提高空间望远镜次镜支撑结构的动力学性能,利用主动约束阻尼层对次镜支撑结构进行了设计,主动约束阻尼层在柔性结构表面覆盖阻尼材料和压电陶瓷材料,是对柔性结构进行振动抑制的有效手段。首先建立了主动约束阻尼层的有限元模型,采用比例微分控制算法对压电陶瓷进行闭环控制,分析了阻尼材料厚度和控制增益对支撑结构阻尼特性的影响,结果表明增大阻尼层厚度或增大控制增益能够提高结构阻尼特性,但增大阻尼层厚度同时也会降低压电陶瓷的驱动性能。对空间望远镜整体结构的分析结果显示,覆盖主动约束阻尼层后支撑结构的固有频率会略微降低,但是次镜位置的频率响应明显下降,次镜的面型精度也有提高。     

环形电极压电驱动器极化电压和力学性能分析

提出一种新型环形电极压电驱动器,运用ABAQUS软件对此驱动器进行电场和力学分析。着重研究环形电极分支中心距和电极宽度对极化电压和驱动性能的影响,并与普通形电极压电驱动器的极化电压和驱动性能对比。结果表明,环形电极压电驱动器的极化电压为普通形电极的1/2,环形电极结构降低压电驱动器对极化电压的要求;减小电极分支中心距、增大电极宽度,有利于降低环形电极压电驱动器的极化电压;当工作电压为90 V时,环形电极压电驱动器的径向夹持力达到普通形电极的5.2倍,径向自由位移达到普通形电极的2.6倍。     

强脉冲γ线辐射对压电陶瓷材料性能的影响

加速度压电传感器是反应堆内常用的振动测量器件,其核心部件是压电陶瓷材料。由于在强核辐射环境下,中子和γ线分别于压电陶瓷内的原子核和核外电子发生相互作用,发生微观损伤,此损伤经由分子尺度、介观尺度直至会表现为宏观性能（包括材料的压电性能及表观形貌信息等）的变化,将影响器件的性能。长时间、高剂量率γ线辐照对压电陶瓷材料性能变化已有研究,然而短时间、高剂量率γ线辐照对压电陶瓷材料性能变化的研究较少。该文在辐射装置上进行压电陶瓷材料的高剂量率γ线辐照,随后对材料辐照前、后的压电性能、表观形貌等信息进行实验测试,通过测试结果分析了高剂量率γ线辐照对压电陶瓷材料性能的影响。     

2-2型水泥基压电机敏复合材料的研制

在土木工程领域中，智能结构系统越来越受到人们的重视，而在智能结构系统中机敏材料是不可缺的元素，它是构成智能结构中的传感器和驱动器的关键材料。针对目前土木工程领域智能结构中存在的结构材料与机敏材料相容性差问题，采用水泥基材料作为压电机敏复合材料的基体，通过调节水泥基材料组分和比例，克服水泥基材料与压电陶瓷在密度上的悬殊差异为材料准备带来的困难，制备出2－2型水泥基压电机敏6复合材料。同时，采用集成了微型计算机、MTS自动伺服试验机、示波器、信号发生器、线性放大器和HP－IB界面的测试系统测量2－2型水泥基压电复合材料的弹性性能、传感性能和驱动性能。实验结果表明，在实验范围里，该材料具有线弹性性能；传感性能和驱动性能具有明显的频率依赖性；在超低频范围内，2－2型水泥基压电复合材料的压电电压系数的模值随频率线性增大，相角随频率增大开始时增大较快，随后趋于一常数；2－2型水泥基压电复合材料的压电性能与聚合物基压电复合材料相似。     

大位移交叉环形电极压电驱动器结构优化

设计一种交叉环形电极与压电圆盘驱动器相结合的交叉环形电极（CREs）压电圆盘驱动器,利用分析软件ABAQUS进行静力学分析,着重研究CREs型压电圆盘驱动器电极结构几何尺寸以及驱动器厚度对驱动器径向驱动性能的影响。研究结果表明,减小电极中心距与驱动器厚度,有利于提高驱动器的驱动性能;加载相同电压,CREs型压电圆盘驱动器的径向夹持应力能达到普通型的2.1倍,径向自由应变能达到普通型的3.4倍。CREs型压电圆盘驱动器性能研究为CREs型压电圆盘驱动器的设计制造提供了一定的理论依据。     

辐射电场型压电薄膜实验研究

介绍一种新型的辐射式场压电薄膜(RFD).该薄膜在柔性薄膜(Kapton)上印制螺旋电极并对称粘结在PZT压电陶瓷薄片两侧,加载电压后,螺旋电极产生辐射式电场,驱动PZT压电陶瓷片产生径向变形.通过对RFD压电薄膜性能实验的研究,结果表明驱动电压和频率是影响膜片变形的主要参数;在 400 V、5 Hz的正弦波驱动下,RFD压电薄膜可获得最大位移.该文制作的压电膜片具有变形稳定,性能稳定可靠和易控制等优点.     

叉指形电极压电执行器的热弹性比拟分析方法

通过对比分析逆压电效应本构方程和热弹性体本构方程,将压电执行器的驱动电压比拟为温度载荷,压电应变系数比拟为正交各向异性的热膨胀系数,则叉指形电极压电执行器的静态位移可采用热弹性有限元法分析。由于叉指形电极的电场导致局部的非均匀和非线性,在热弹性比拟法中,需引入修正系数对热膨胀系数进行修正。数值算例和实验结果表明,热弹性比拟法在叉指形电极压电执行器的静态仿真中是简单有效的。     

薄膜体声波传感器的有限元仿真与分析

薄膜体声波滤波器(FBAR)传感器的性能受结构和材料特性的影响很大。该文利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,建立了FBAR传感器的二维、三维有限元结构模型。用氮化铝和氧化锌材料作为压电薄膜对建立的模型做了固体力学和静电学仿真分析,得到了FBAR传感器的谐振频率、导纳特性曲线和谐振频率处的位移分布情况。通过分析发现氮化铝压电薄膜阻抗特性曲线更平滑,而氧化锌压电薄膜存在明显的寄生谐振峰的问题。针对氧化锌压电薄膜存在的寄生谐振峰进行了优化,仿真分析了电极边长尺寸和电极厚度对寄生谐振的影响,实现了对寄生谐振峰的有效抑制。     

Formation of a bidomain structure in lithium niobate wafers for beta-voltaic alternators

The possibility of increasing the efficiency of a beta-voltaic generator due to using a single-crystal bimorph element made of lithium niobate as a piezoelectric converter. The known beta voltaic alternators consist of a piezoelectric cantilever and a source of β-electrons. The cantilever represents a resilient member made, for example, of silicon, on which a piezoelectric element made of PZT piezoceramics is mounted. It is proposed to replace the silicon cantilever structure with a piezoelectric element by a uniform cantilever that represents a thin wafer made of a bidomain single-crystal lithium niobate. Due to this, the efficiency of the mechanical oscillation conversion into electrical power, the system Q-factor, and the stability of the operating parameters simultaneously increase; and the operation temperature range also significantly increases (by several hundred degrees). The solution of the main problem—the formation of a bidomain structure in a thin wafer of lithium niobate—is considered in detail. A method for the high-temperature annealing of samples in a nonuniform electric field is proposed. It is demonstrated that one can predict the domain structure based on the developed model. Samples are obtained having the occurrence depth of the interdomain boundary ranging from 120 to 150 μm. At the same time, it is shown that the sharpness of the boundary depends on the potential difference between the striated electrodes of the technological cell and the external electrode. The method is efficient for manufacturing a bidomain structure in a wafer up to 300 μm thick.     

单晶LN BAW谐振器有限元仿真研究

利用离子注入剥离法(CIS)制备的铌酸锂(LN)压电薄膜可用于制备体声波(BAW)器件,近年来备受关注。滤波器的指标与谐振器的性能密切相关,但基于LN单晶薄膜的BAW谐振器,对其结构的仿真优化还未有较深入的报道。该文以LN单晶薄膜为核心压电层材料,构建了固态反射型(SMR)单晶薄膜谐振器有限元仿真模型,对其压电层厚度和布喇格反射层厚度进行了设计,并重点针对谐振器上电极的台阶结构进行了二维模型仿真,为高频LN BAW滤波器的制备提供了理论依据。     

Fabrication and Electromechanical Characterization of a Piezoelectric Structural Fiber for Multifunctional Composites

The use of piezoceramic materials for structural sensing and actuation is a fairly well developed practice that has found use in a wide variety of applications. However, just as advanced composites offer numerous benefits over traditional engineering materials for structural design, actuators that utilize the active properties of piezoelectric fibers can improve upon many of the limitations encountered when using monolithic piezoceramic devices. Several new piezoelectric fiber composites have been developed; however, almost all studies have implemented these devices such that they are surface‐bonded patches used for sensing or actuation. This paper will introduce a novel active piezoelectric structural fiber that can be laid up in a composite material to perform sensing and actuation, in addition to providing load bearing functionality. The sensing and actuation aspects of this multifunctional material will allow composites to be designed with numerous embedded functions, including structural health monitoring, power generation, vibration sensing and control, damping, and shape control through anisotropic actuation. This effort has developed a set of manufacturing techniques to fabricate the multifunctional fiber using a SiC fiber core and a BaTiO₃ piezoelectric shell. The electromechanical coupling of the fiber is characterized using an atomic force microscope for various aspect ratios and is compared to predictions made using finite element modeling in ABAQUS. The results show good agreement between the finite element analysis model and indicate that the fibers could have coupling values as high as 68% of the active constituent used.