压电陶瓷电致伸缩系数文献综述

河北科技师范学院本科毕业论文文献综述

院（系、部）名称：物理系

专业名称：物理学

学生姓名：***

学生学号：1112120115

指导教师：***

2016 年 1 月 5 日

摘要

压电陶瓷是一种具有压电效应功能的陶瓷材料，已被用于许多领域。本文主要对压电陶瓷的特性、电致伸缩材料研究的新进展、微小形变的测量方法进行了综述。同时简要介绍了压电陶瓷电致伸缩系数的测量。

关键词：压电陶瓷；电致伸缩；微小位移

1引言

1.1研究意义

伴随着科技的迅猛发展, 在电子学、光学、精细加工、航空航天及扫描隧道效应和小型电机显微镜等技术领域迫切需要亚微米级的微位移技术。如光通讯聚焦技术、大规模集成电路设备、移动微电机等。由于温度、振动和噪音等环境因素拢动, 都会造成位置偏差,要达到亚微米超情控制还是很困难的［1］。在各种微位移器中以电致伸缩微位移器性能突出( 具有施加电压低、位移量大、滞后小、重复性好、无老化等特点), 从而引起人们高度重视。而压电陶瓷具有良好的电致伸缩性能。因此对于压电陶瓷电致伸缩的研究成了人们关注的焦点。

1.2国内外研究现状

BaTiO

3

是最早的有实用价值的压电陶瓷，具有可制成任意形状和任意极化方向等优点。50‐80年代期间，锆钛酸铅问世，极化时可获得高压电活性和高介

电常数，压电常数是BaTiO

3的两倍

。

内野等人对电致伸缩材料及其力学性质进行

了细致的研究［2-3］。张涛等人研究了压电陶瓷的特性[4-5]。80年代以来，发展了两种新型的PbTiO

3

陶瓷。改良的陶瓷具有强的压电各向异性的优点，优于PZT和PT。孙立宁、王裕斌等人研究了电致伸缩及其应用[6-7]。90年代初，通过米用所研制的H R P D 系列压电/ 电致伸缩陶瓷驱动电源对W T D S 一I 电致仲缩微位移器进行了实验研究, 得出来用电极化强度控制的方法使电致伸徽位移器的迟滞由原来的15 % 减小到1 %, 蠕变由原来的1 0 % 减小到1%, 并实现位移输出的线性化[8-9]。从20世纪60年代起国内外的科研人员就开始了对铌酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电陶瓷的研究本文主要就压电陶瓷电致伸缩系数的测量进行了研究[10-12]。

2压电陶瓷的特性

压电陶瓷与电致伸缩陶瓷均属于电介质，而电介质在电场作用下会产生逆压

电效应和电致伸缩效应。电致伸缩效应是指电介质在电场的作用下由于感应极化作用引起应变,且应变与电场方向无关,应变的大小与电场的平方成正比。可用如下公式表示：

2ME dE s += （1）

电极化的强弱用电极化强度P 来表示

∑∆=V

ql

P （2） P 是单位体积内电偶极矩p 的矢量和。在极化时在电场方向上电极化强度与压电陶瓷和电致伸缩陶瓷机械应变的数学关系为：

2QP S =电致 （3）

由静电学理论可知, 电极化强度与电场强度的关系可表示为；

E P e 0εχ= （4）

电极化率与电介质的介电常数的关系为：

e r χε+=1 （5）

将（5）代入（4）得

()E P r 01εε-= （6）

式中

e

χ---电极化率

ε---真空介电常数

2.1位移特性

经过极化处理的压电陶瓷,当外电场撤出后,往往有剩余极化存在,电介质在电容器极板电荷e 0 产生的电场中可以等效为一个大电偶极子,同时压电陶瓷叠片可以等效为一弹性体因而有：

2QP gP l +=∆ （7）

2ME dE l +=∆ （8）

（l ∆ 为压电陶瓷的伸长量;E 为压电陶瓷的内部电场强度;P 为压电陶瓷的内部电极化强度;）( 7)式表明了压电陶瓷位移量与电极化强度之间的关系；(8)式表明了压电陶瓷位移量与电场强度之间的关系,即压电陶瓷位移量与所加电压之间的关系(d U E /= )。

2.2 出力--位移特性

由于压电陶瓷是具有有限刚度的弹性体,因而在受到外力后要被压缩,压电陶瓷被压缩后的 位移可以表示为:

b K F L L /'0+∆=∆ （9）

其中F 为压电陶瓷所受到力, 拉力为正, 压力为负。受到拉力的场合压陶瓷必须有预紧力,否则压电陶瓷将因不能承受拉力而损坏。如图1所示为压陶瓷的输出力和位移间的关系曲线,在空载的情况下压电陶瓷的输出位移为最大输出位移,在最大输出力的作用下,压电陶瓷的输出位移将为零。

图1 压陶瓷的输出力和位移间的关系

2.3温度特性

在高精度定位及某些特殊应用场合,压电陶瓷的温度特性也是不容忽视的。压电陶瓷的温度特性主要表现在两个方面:

2.3.1线膨胀

这是指压电陶瓷随着温度的变化而伸长的特性,由于叠堆型压电陶瓷是由多片压电陶瓷片粘接而成,因而其线膨胀系数既受压电陶瓷片的影响,也受陶瓷片之间连接材料的影响。

2.3.2温度对压电/电致伸缩效应的影响

压电/电致伸缩陶瓷的输出位移随着温度的增加而减小,压电陶瓷的减小幅度较小,在0℃～ 50℃范围内仅减少5% ～ 8% ,电致伸缩陶瓷减小幅度较大,在0℃～ 50℃范围内减小量在65%。压电/电致伸缩陶瓷的迟滞也随温度而变化,压电陶瓷的变化较小,电致伸缩陶瓷的变化较大。电致伸缩陶瓷的温度特性限制了其在高精度定位领域的应用。

2.4迟滞特性

压电/电致伸缩陶瓷在光学、精密加工等领域得到广泛应用,但是由于其存在迟滞、蠕变及非线性等缺点[13-17],给其控制带来了困难,而且在很多场合压电元件都被当作线性元件使用。

3测量方法

要测量电致伸缩系数，本质是测量微小位移。测量微小位移方法大致有云干涉法、激光干涉法、数字散斑相关法、电容法、光杠杆法、差动光程差倍增法、迈克尔逊干涉仪测量法[18-29]等。

3.1光学测量

3.1.1 迈克尔逊干涉仪测量

迈克尔逊干涉仪是一种在近代物理和近代计量技术中有着重要影响的光学仪器【29】。用于测量微小位移，精密度较高[30]。用激光器作为光源,须用扩束镜,可使视场范围增大,观察到更多的条纹[31]。

当在压电陶瓷的内外表面上加上电压时, 在内外表面间便形成电场, 这时压电陶瓷会在纵向发生形变.设设用E 表示圆管内外表面加上电压后, 在内外表面间形成的径向电场的电场强度, 用S 表示圆管轴向的应变, α表示压电陶瓷的电致伸缩系数, 于是

E S α= （10）

若压电陶瓷的长度为l , 加在压电陶瓷内外表面的电压为U , 加电压后的长度增量为l ∆, 圆管的壁厚为t ∆(均以mm 为单位), 则按上式有

t

U

l l S ∆=∆=

α （11） 所以

U

t

l l ∆∙∆=

α （12） 如图2，将压电陶瓷固定在反射镜架上，将迈克尔逊干涉仪调到可观察屏0p 上

的同心圆干涉条纹.改变加在压电陶瓷外表面上的电压, 使其由零伏逐渐上升, 干涉条纹便由中心向外移动( 假定此时光程差增大), 若电压上升到V 时, 条纹中心正好冒出m 个条纹, 那么压电陶瓷的伸长即为

2

λ

m

l =∆ （13）

代入（3）得