论文摘要
压电复合材料是上世纪七十年代发展起来的一种新型材料,它不仅具有压电陶瓷的响应速度快、可控精度高、低能耗、无电磁干扰等优点,同时具有良好的柔韧性和机械加工性能,克服了压电陶瓷易碎和难以加工成复杂形状的缺点,易于与水及生物组织实现声阻抗匹配,已广泛应用于水声换能器和医疗超声成像等领域。其中1-3型压电复合材料具有优良的特性,且易于制备,是复合材料中研究和应用最为广泛的一种。传统的1-3型压电复合材料使用方形或者圆柱形立柱与基体材料复合,本文使用压电陶瓷管与基质复合,制成压电管式复合驱动器以适应于多种场合的应用。除了具有传统压电复合物的优点之外,压电管式复合物所需的极化和驱动电压低,能够与导体基质复合,每个压电陶瓷管可以独立控制,电场利用率高,易于完成多模式驱动。基于短管的片状复合物可以应用在超声波和高频振动抑制方面。基于长管的片状或者块状复合物可以用在所需位移较大的场合,例如形状控制,中低频的振动和噪声控制,变形镜和压电马达等。本文以压电管式复合驱动器为研究对象,首先利用经典理论和有限元法系统的研究了压电管式复合物的静、动态特性,其次分析了四管单元复合物在特定驱动模式下的静态和谐振特性,最后列举了压电管式复合驱动器在弯曲摇头式压电马达以及新型压电离心泵中的应用实例。主要工作及结论包括:结合电场分布模型,分析了压电单管的静、动态特性。将压电应变类比于热应变,用rule of the mixture models和concentric cylinder models进行压电管式复合物的宏观等效性能参数计算公式的推导。研究了电场的非均匀性对其压电系数产生的影响,给出了密度、介电常数、压电常数以及弹性模量的计算公式,讨论了不同压电陶瓷管体积分数、厚径比、分布密度以及基体材料对复合物压电特性产生的影响。借助有限元软件对复合物单元的压电系数和杨氏模量矩阵进行推导,研究了陶瓷材料的体积分数对其产生的影响,并与理论结果对比。仿真了复合物单元在不同载荷下容易引发材料破坏的应力分布情况。分析了复合物的振动模态及其共振频率随结构尺寸参数的变化趋势。对各管独立驱动的四管复合驱动器进行了研究。理论分析了其静态与动态特性,给出了弯曲挠度、力矩及其共振模态参数的计算公式。与传统薄壁理论进行对比,证实了分析的合理性。制作了四管复合驱动器样机并进行性能测试,结合有限元分析验证了理论推导的正确性。并将四管复合驱动器和传统的单管四分电极驱动器在各项性能参数上做了详细的对比,证实当四管复合驱动器和单管四分电极驱动器拥有相同尺寸,在相同电场强度驱动下,四管复合驱动器的整体性能通常优于单管四分电极驱动器。此外,四管复合驱动器具有可扩展性强,电磁辐射小和驱动电压低等优点,并且可以避免传统单管四分电极驱动器制造中非对称的缺陷,提高驱动精度。它可以代替传统的单管四分电极驱动器,在扫描探针显微镜、压电马达和压电陀螺等领域有着广泛的应用价值。使用压电八管复合驱动器研制了弯曲摇头式压电马达,理论分析了八管复合驱动器的静态和动态特性。设计制作了马达样机。样机测试结果与理论值基本吻合。马达转速与驱动电压幅值呈良好的线性关系。静态时,马达定子的端部轨迹并非理想的圆,主要由压电迟滞造成。马达工作在共振频率附近,当驱动电压幅值为200Vp-p,频率为5.0kHz时,该马达的最大空载转速和堵转力矩分别为319rpm和1.6mNm。当驱动电压幅值为160Vp-p,频率为5.0kHz,预压力为0.3N时,马达的最大效率为12%,最大输出功率为7mW。设计了基于压电四管复合驱动器的新型离心式压电陶瓷泵。该泵无机械部件所以具有较高的效率;无精密阀门或者细微管道所以对液体纯净度要求不高;可扩展性强,由于压电管式复合物单个压电元件的控制独立性,可以采用不同的驱动方式衍生出多种结构。对离心泵的静、动态特性进行了理论分析。研究了静态端部弯曲挠度、输出力矩、共振模态以及液体流速对共振频率的影响。制作了原理样机并进行性能测试,实验证明该压电泵可在驱动电压幅值为120Vp-p,谐振频率232Hz时,2.0kPa的负压下以7.7ml/min的速度抽出蒸馏水。在驱动信号幅值为120Vp-p,频率为233.2Hz时,流速最大值为8.6ml/min,泵所能承受的背压最大值为5.4kPa。基于以上研究,本论文在以下方面具有创新之处:（1）对压电管式复合物的压电系数和杨氏模量矩阵进行了系统的分析,并讨论了其在不同载荷下的应力和电势分布情况。（2）利用压电四管复合物制作的驱动器的特性优于传统的单管四分电极驱动器,可以代替其在扫描隧道显微镜中发挥重要作用。（3）研制了基于压电八管复合驱动器的弯曲摇头式压电马达,其输出力矩性能优于基于单管的压电马达。（4）设计了基于压电四管复合驱动器的新型离心式压电陶瓷泵,它具有结构简单,控制方便,输出稳定和高频运作等特点。研究所取得的成果对压电管式复合物的优化设计、驱动器性能的系统分析及压电驱动技术的应用探索等方面具有一定的理论价值和实用意义。