科研之光团队《耐高温微型环保精密压电步进式驱动器》研究报告

第一章 研发背景
1.1 压电步进式驱动器研究现状
压电型步进驱动器的研究可以追溯到 20 世纪 60 年代。 1966 年,S.Hsu 等人研发了世界上第一台压电式步进驱动器 。限于当时的技术水平,其结 构较为粗糙,性能也不尽如人意。在接下来半个多世纪的时间里 ,各国研究 人员对该机理驱动器研究不断深入 ,迄今为止已经形成独具特色的一类驱 动器,并在众多相关领域得到了应用,取得了丰硕的成果。 2001 年美国加利福尼亚大学研制了一种整体式步进驱动器 , 能够实 现大行程、大驱动力。加拿大 Victoria 大学也研制过类似的驱动器 ，在 原有的基础上进一步改进，更加整体化和小型化。其缺点是稳定性不高,承 载能力较低。 2004 年,加拿大多伦多大学研制了一种压电步进式直线驱动器 结构 ,采用特殊的机械结构 ,同时安装了预紧机构和传感装置 ,使得驱动 器运动精度有了很大提升。2005 年,加拿大 Concordia 大学研制的压电型 直线步进驱动器结构 采用特制的圆管状压电材料配合特殊的机械结构， 在要求较大输出力的场合将有广泛的应用。 我国压电步进式驱动器的研究起步较晚 ,开始于上个世纪 90 年代,在 国家自然科学基金和“863”计划等项目的资助下,我国学者对压电驱动器 技术开始进行深入研究,并取得了一系列的成果。广东工业大学、上交、天
第十三届大型挑战杯 作品研究报告
题目：耐高温微型精密环保压电步进式驱动器 团队：“科研之光”团队 学院：材料科学与工程学院 团队：张金灿（队长） 武岚涛 马连茹 解培涛 赵筱群 张洁 高坤 张聪 张经纬
指导老师：欧阳俊教授 闫鹏教授
2013 年 3 月 1 日
挑战杯作品研究报告 摘要：本文首先就压电步进式驱动器的研制背景及国内外水平进行了分析与比较，指出 了团队课题选择的必要性和可行性， 说明了作品的创新点和关键点； 然后按照作品设计、 制作的基本思路，针对高居里点压电材料的特性及品质和驱动器改进后的机械性能，特 别是柔性铰链的创新点依次进行了详细的分析与论证；最后，报告指出了该产品市场应 用前景和经济效益。 关键词：研发背景；压电材料；耐高温；精密；环保；机械驱动；柔性铰链；应用前景
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面对于柔性铰链驱动和放大器的优化设计，我们实现了器件的小型化和整 体化的进步，也保证了驱动器的精密度。与国内外大部分同类产品比较， 我们都占有一定的优势。
第三章 压电材料
3.1 压电材料特性分析
3.1.1 压电材料综述
如果晶体施加适当的外应力就能在其表面产生一定量的正负电荷，即 为压电体。迄今为止，各国研究报导的压电陶瓷体系主要有： BaTiO3(BT) 基、Bil/2Na1/2TiO3(BNT)基、铌酸盐基和铋层状结构压电陶瓷。其中，铋 层状结构材料是Aurivillius在五十多年前发现的属于钙钛矿家族的材料， 具有较高的居里温度、机电耦合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率、 大的介电击穿强度等特点，因而适合于高温、高频场合使用的压电材料。
。
图5 NBT-LiCe 压电陶瓷的X射线衍射图谱 和扫描电子显微镜照片
图6 NBT-LiCe压电陶瓷电阻率、电阻 系数——与温度的倒数*1000
2.对于压电陶瓷，电阻系数高是很重要的可以防止强电场中的击穿或者泄 漏。在高温应用方面同样需要。如图所示，在350~550之间，NBT-LiCe的电 阻率比NBT的要低。 3.图7表明，NBT-LiCe、NBT陶瓷可以使电场最大达到140 kV/cm。压电系数
1.3 压电陶瓷驱动的主要优点
压电陶瓷驱动具有体积小，无需传动机构，结构简单紧凑，形状多样 化；重量轻，换能效率较高，单位重量输出功率较大；输出力大，可实现 低速大扭矩输出；高位移分辨率；响应速度快，高频信号驱动下不发热； 电场控制方式相对简单容易，位移重复性好；压电陶瓷驱动外界磁场的磁 干扰极小等优点
d33分别为16 pC/N和30 pC/N，即LiCe的引入明显的提高了NBT陶瓷的压电
性能。磁滞回线在外场驱动下接近饱和。 LiCe可以轻微的减弱矫顽磁场。 残余极化强度（2Pr）因为加了LiCe从21降到了14C/cm2。
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图7 最大驱动场下的极化磁滞现象
图8
电阻系数随频率的变化
某项性能
[14]
，如图 3 所示。从图中可以看出，其机电耦合系数 Kｔ和机械
品质系数Ｑｍ的峰值关系不理想，综合物理性能较差。 当前改善( Bi0.5 Na0 .5 ) Bi4 Ti4O15 的另一种主流的方法是 A 位取代改性， 以 Ca、S r、B a 或其它复合离子如 Bi０.５Li０.５Bi０.５Ｋ０.５等取代( Bi０.5Na0.5) Bi４TiＯ１5 的 A 位离子(Bi0.5 Na0.5 ),可以得到居里温度大于 600℃、 d33> 25pC/N
[6]
1.2 压电陶瓷的发展
自 1880 年，居里兄弟发现压电效应以来，压电学已成为现代科学与技 术的一个重要领域，新型压电陶瓷材料不断出现，各种压电器件广泛应用 于许多技术领域
[7,8]
。常用于微机械中的压电陶瓷材料有聚偏氟乙烯、锆钛
酸铅、钙钛矿晶体等。其中，材料学者对钙钛矿家族的铋层状结构无铅压 电陶瓷的研究开发比以往大为活跃，约占无铅压电陶瓷专利总数的 40％， 铋层状结构压电陶瓷在滤波器、能量转换器，尤其是在高温、高频恶劣环 境下使用有着自身独特的、难以被取代的优势，具有广阔的应用前景。随 着目前研发无铅压电器件的大趋势，铋层状结构压电材料可以作为传统铅 基压电材料在某些领域的替代品。压电陶瓷致动元件是利用逆压电效应制 作的新型固态执行器，按其组成形式来分，现在常用的主要有双晶片型压 电陶瓷和积层型压电陶瓷（即压电叠堆），近年来又出现了虹形、钹形和 弹珠形等，其中压电叠堆具有驱动电压低、载荷下稳定、输出驱动力大等
4.由图8可明显看出NBT-LiCe压电陶瓷在升高温度时的机电共振，发生在邻 近200 kHz处，伴随稳定下降的阻抗模量的振幅和升高的温度基本达到 600 度。这是第一次在任意温度下对四层的钛酸铋钠陶瓷的测量，而且论证了 NBT-LiCe陶瓷在600度时仍具有压电性。 5.图9表示出电阻抗模量在高温下作为频率的函数 (>400)。阻抗模量在410 度时的最大振幅仍然比最小的高三倍多。然而，阻抗模量的振幅在温度靠
经 ReMnO3 的少量掺加后性能得到改善，当掺加量达到最佳时，其性能也达 到最佳值，介电常数达到 120---140，tgδ为 0.25％----0.30，d 33=１0--13pC／N，居里温度上升 790℃
[13]
。对于 SrBi4TiＯ15 基压电陶瓷，以 La、
Ce、Sm、Gd、Dy、 Ho、E r 等元素取代 A 位的 Sd ，可选择性地改善陶瓷
3.1.2 钙钛矿结构材料的结构特点
图1
钙钛矿型晶体结构示意图 (a)立方晶胞，(b)氧八面堆积
钙钛矿结构材料通式为ABO3，A、B的价态可为A2+B4+或A1+B5+。钙钛 矿结构可用简单立方晶格来描述。晶体结构及其特点如图1所示：
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3.1.3 铋层状材料的结构特点
铋层状结构材料的一般通式为 (Bi202)2+(Am+1Bm03m+1)2-。它由类钙钛 矿层(Am+1Bm03m+1)2-和(Bi202)2+层有规 则地沿着c轴方向交替排列而成。A为适合 于12配位的1、2、3、4价离子或它们的复 合离子，B为适合于6配位的3、4、5、6价 离子或它们的复合离子，m为c轴方向连续 的类钙钛矿层个数，其值一般为1-5。对于 Bi4Ti3O12 ，其m=3，B=Ti，A=2Bi。每一 个钙钛矿层包含3个钙钛矿单元，Ti原子在 正中心。晶胞中的两个钙钛矿层中的Bi 原 子与(Bi2O2)2+层中氧原子结合。Bi离子占据两个不同的位置，钙钛矿中12 配位体的位置和(Bi2O2)2+中4配位的位置。由于这种特殊的层状结构，具 有低的介电常数、高居里温度、机电耦合系数各向异性明显、低老化率、 高电阻率、大的介电击穿强度、低烧结温度等特点。
3.1.4 铋层状结构材料的压电性
因为其自发极化只能处于ab平面内，并且只能发生在钙钛矿层中而不 能发生在(Bi2O2)2+层中，不能像钙钛矿结构铁电体中允许自发极化三维转 向，所以与钙钛矿型材料相比，铋层状结构材料的矫顽场高，极化时场强 高，不利于极化且压电活性低。用传统方法制备的铋层状结构陶瓷内部晶
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诸多优点，非常适合于构造精密驱动装置。 我们团队的作品使用了掺杂改性的压电材料 Na0.5Bi4.5Ti4O15 在原 有的优异压电性能的基础上，达到了压电常数 30 pC／N；同时，我们采用 了压电叠堆的组成形式，广泛参考国内外多个同类产品，实现了高温下综 合性能的优化。
[9，10]
.虽然存在一些缺点，但综合看来，压电步进式精密驱
动器是一种较理想的驱动器。随着新型压电材料制造技术的不断提高，压 电陶瓷的性能不断优化，价格不断下降，压电式精密驱动器的应用将更加 广泛，具有很高的研究价值和广阔的发展空间。
第二章 作品特色
我们的团队作品--耐高温微型精密环保压电步进式驱动器的最大特点 是可以在高温下工作。一般的压电材料，其居里温度只有 100-200℃，但是 我们的铋层状材料 TC 可以达到 600-700℃甚至 1000℃以上，这就提供了材 料在 500℃甚至更高温度下工作的可能性， 也解决了高功率共振下 PZT 压电 陶瓷性能不稳定的缺陷。我们的无铅材料--掺杂了 LiCe 的钛酸铋钙减少了 铅的含量，也减少了其他挥发性物质的存在，更加环保。这符合日益高涨 的环境保护的要求，也增加了工艺上和产品的稳定性。此外，通过机械方
图9 高温下电阻与频率的关系
图10
机电耦合系数与温度的关系
近居里点的时候变小了，当温度超过居里点时 NBT-LiCe陶瓷失去了全部的 压电性能。当温度在30-600之间起伏时，我们可以看到，共振频率随着温 度的增高几乎呈直线下移，共振和反共振频率的温度系数是84ppm/K。
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的压电陶瓷
。 经过多次实验与比较， 在广泛征集指导老师意见的基础
上，我们采用了山东大学物理学院王春明老师的配方，利用 Li、Ce 掺杂实 现了材料性能的优化。
3.2 相关性能分析
1.图5揭示了当m=4时纯Bi2O3式结构的存在， 强度的最高衍射峰在119 ， 这与 大多数的强反射都是112m+1类型的事实相一致。研究发现晶粒生长在结构 上呈现各向异性，长度方向上层状的晶粒比厚度方向上的要大。
-1[5] [4] [3] [2] [1]
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大、吉大和哈工大、清华大学等在这方面取得了很大的成就。广东工业大 学的杨宜民教授是较早开始研究步进式压电驱动器的学者 ,他开发出微型 直线驱动器和仿生型动器的性能参数在当时处于世界领先地位。2004 年天 津大学精密测试技术及仪器国家重点试验室研制了一种基于步进运动原理 的大行程纳米级步距压电电动机 ,实现了压电电动机的连续匀速运动 ,运 动速度在驱动电压为 300V 时可达 12m/s,最小步距小于 6nm,行程大于 10mm。 吉林大学压电驱动技术实验室设计了多种步进驱动器的结构 ,并制作了样 机。其中步进式直线驱动器的行程可达到 10mm,分辨率可达 0.05m,移动速 度为 1mm/min,驱动力可达到 100gf。
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粒的自发极化在电场作用下难于定向。极化后难于获得足够大的剩余极化 强度，压电活性无法充分发挥出来。
3.1.5 掺杂优化技术分析
通过优化工艺和元素微量掺杂的手段，我们得到了综合性能良好的铋 层状结构无铅压电材料
[12]
。例如，对于 Bi４Ti3Ｏl2(BTO)基无铅压电陶瓷，
6.当温度在室温-600度之间起伏时，NBT-LiCe陶瓷平面和厚度与共振有关 的特征十分明显，表明 NBT-LiCe 陶瓷在这种温度下保留压电特性。计
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图11 机电耦合系数与温度的关系
图12
退火温度对压电常数的影响
算平面耦合系数kp和平面机械品质因数Q作为温度的函数在图10、11分别表 现出来。分析可知NBT-LiCe陶瓷具有强烈的各向异性机电耦合因子。 7.NBT-LiCe陶瓷的热退火行为在图12中表现出来。压电系数d33被标绘在纵 坐标上，d33的数值测出仍然是25 pC/N，即使热处理温度接近居里点。而 且还发现，d33的数值在500摄氏度加热12小时后仍然保持25 pC/N，这表明 了NBT-LiCe陶瓷在加热退火时非常稳定而且有潜力在高温压电应用方面有 很大的用途。