增材制造钛酸钡压电陶瓷的高温烧结与极化工艺研究

为提高增材制造BaTiO_(3)压电陶瓷的综合性能,本文研究了BaTiO_(3)压电陶瓷的浆料剪切变稀特性及数字光处理(DLP)成型特性,揭示了DLP成型BaTiO_(3)压电陶瓷坯体在不同烧结温度条件下的致密化机制,探索了极化方向对DLP成型BaTiO_(3)陶瓷压电性能的影响规律。结果表明,调节高温烧结与极化工艺,可以在一定程度上改善DLP增材制造BaTiO_(3)压电陶瓷的电学性能。当烧结温度为1420℃、保温时间为2 h时,压电系数d_(33)最大,为163.4 pC/N,样品层间结合紧密,晶粒尺寸均匀。当Z轴与极化方向夹角由0°变为90°时,相对介电常数εr和d_(33)分别提高了29.37%和27.01%。当固含量为80%(质量分数)、烧结温度为1420℃、Z轴与极化方向夹角为90°时,样品d_(33)最大,达到182.4 pC/N。

压电陶瓷驱动的MEMS微结构底座激励方法研究

介绍了基于压电陶瓷底座激励方法的发展现状,总结了激励方法在具体实现方式上存在的问题。压电陶瓷在工作过程中会受到横向剪切力作用,导致压电陶瓷的损坏;弹性底座反复变形会导致微结构脱落。设计了一种由带有球冠状凹槽的上联接块和带有球冠状凸起的下联接块组成的点接触式可动底座结构,并设计了一种由圆柱安装体和三个安装臂组成的弹性底座,制作了基于压电陶瓷的底座激励装置,搭建了微结构动态特性测试系统,并对两种微结构的动态特性进行了测试实验,结果表明改进后的压电陶瓷底座激励装置可以有效的实现对微结构的激励。

压电陶瓷作动器的卡尔曼滤波输出反馈预测控制

为了抑制压电陶瓷的迟滞、非线性特性对压电微定位平台精度的影响,建立反映压电陶瓷作动器频率依赖迟滞非线性特性的Hammerstein模型:利用非对称Bouc-Wen模型来表示静态迟滞非线性和利用动态线性模型表征信号频率的影响。针对迟滞补偿器不能完全的进行补偿,并且存在噪音干扰实验设备,采用基于卡尔曼滤波的预测控制,提高压电微定位平台的控制精度。预测控制用来减小逆补偿误差以及建模误差等模型不确定性的影响,卡尔曼滤波用来获得系统的状态估计值。实验结果显示,该控制器在正弦波信号下的相对跟踪误差小于0.68%,三角波信号下相对跟踪误差小于0.70%。在迟滞补偿的基础上,采用卡尔曼滤波的预测控制,该方法可以有效地完成对微定位平台的高精度跟踪。

B位空位补偿型钐掺杂PZT(54/46)陶瓷中的缺陷分析及其对压电性能的影响

-用固相反应法制备了B位空位补偿型钐掺杂非准同型相界组分PZT(54/46)陶瓷.通过正电子湮没寿命谱(PALS)和符合多普勒展宽能谱(CDBS)对陶瓷中的缺陷结构进行综合表征,结合常规表征手段如X射线衍射(XRD),电子扫描显微镜(SEM),介电、铁电和压电性能测量,研究缺陷对陶瓷压电性能的影响.XRD结果显示所有陶瓷均为纯钙钛矿相,掺杂诱导了菱方-四方(R-T)相变,准同型相界位于Sm掺杂量x=0.010.02.电学测量结果反映:介电、铁电和压电性能均先增强后减弱,MPB附近两个样品都有优异的介电和铁电性能,但其压电性能差别很大.x=0.01给出最优压电性能d_(33)=572 p C/N,较未掺杂样品增强了一倍.PALS结果表明掺杂使陶瓷中缺陷类型发生变化,x≤0.01,样品中同时含有A位空位与B位空位;x≥0.02,样品中以A位相关缺陷为主,B位空位浓度很低.CDBS结果进一步证实x=0.01和0.02中B位空位浓度分别是该体系中最高和最低的.由以上结果推断出:x=0.01获得的最优压电性能与其中较高浓度的B位空位有关,B位空位可稀释A位空位浓度,降低氧空位浓度,从而降低A位空位与氧空位形成缺陷偶极子的几率,促进畴壁运动,使压电性能增强.

压电陶瓷可控机械密封多场耦合模型与调控性能分析

提出一种基于压电陶瓷的可控机械密封结构,基于有限元软件分析施加电压和压电陶瓷数量对密封静环端面的变形规律;考虑密封动静环与润滑液膜间的热力耦合作用,建立可控机械密封的流固热耦合模型,研究施加电压和压电陶瓷数量对密封调控性能的影响。结果表明:施加电压的压电陶瓷使静环端面产生了径向锥度和周向波度变形,变形量随电压的增大而增加;静环端面变形在增大液膜承载力的同时减小了端面接触力;压电陶瓷数量的增多减小了周向波度变形,增大了径向锥度变形,使静环端面变形趋于周向均匀化;增大压电陶瓷电压可实现密封端面润滑状态的转变,使密封端面摩擦温升降低,使泄漏率控制在允许范围之内。

BF-PT-BZT三元系高温压电陶瓷的介电压电温度稳定性

采用传统固相反应法制备0.54BiFeO_(3)-0.33PbTiO_(3)-0.13Ba(Zr_(x)Ti_(1-x))O_(3)(BF-0.33PT-0.13Ba(Zr_(x)Ti_(1-x)),0.4≤x≤0.8)三元系压电陶瓷,研究了Zr含量(x)对陶瓷的微观结构以及介电、铁电和压电性能的影响。X线衍射(XRD)结果表明,BF-0.33PT-0.13Ba(Zr_(x)Ti_(1-x))三元系陶瓷为单一钙钛矿结构,当0.4≤x≤0.7时,陶瓷相结构为三方-四方相共存;当x=0.8时,陶瓷为三方相结构。扫描电子显微镜(SEM)结果表明,随着Zr含量的增加,陶瓷晶粒尺寸逐渐增加。在25~400℃时,陶瓷的压电常数d 33的波动小于±6%。当x=0.7时,BF-0.33PT-0.13Ba(Zr_(x)Ti_(1-x))具有最优异的综合性能,其介电常数εr、居里温度T_(C)、压电常数d_(33)分别为1194(1 kHz)、438℃和330 pC/N,在25~300℃时,陶瓷的电容温度系数和压电常数变化率分别为16%和8%。结果表明,BF-0.33PT-0.13Ba(Zr_(0.7)Ti_(0.3))陶瓷在高温压电器件中具有较广的应用前景。

真空热压烧结铌酸锂压电陶瓷研究

采用真空热压烧结法对铌酸锂粉体进行烧结制备铌酸锂压电陶瓷,通过改变烧结温度、保温时间来确定最佳烧结方案;对烧结样品的密度、显微结构、物相组成、压电和介电等性能进行了测试。研究表明:在烧结温度900℃、保温时间120 min、压力35 MPa条件下制备的铌酸锂压电陶瓷致密度最高(4.62 g/cm^(3)),同时其压电常数d_(33)达最大(8.7 pC/N),相较于传统固相烧结法及CO_(2)激光烧结法,其压电常数分别提高7.9 pC/N和2.7 pC/N。当测试频率介于1 kHz~1 MHz时,不同制备条件下铌酸锂压电陶瓷的介电常数均呈现迅速下降后趋于稳定的趋势。

硬性BSPT基高温压电陶瓷温度稳定性研究

采用固相合成法在1125~1175℃烧结范围内制备了0.15BiScO_(3)-0.85(Pb_(0.88)Bi_(0.08))(Ti^(0.97)Mn_(0.03))O_(3)(BSPT-Mn)高温压电陶瓷。所有样品均为纯相,晶粒尺寸分布符合正态规律,掺杂元素均匀,未发现明显的富集现象。研究表明,在1150℃烧结制备的BSPT-Mn高温压电陶瓷的最大机械品质因数为1500.3,在484.4℃温度下压电常数为289.8 pC/N,压电性能良好。

光固化3D打印制备高性能BaTiO_(3)压电陶瓷

光固化3D打印技术在制备异形压电陶瓷方面具有广阔的应用前景。本文采用数字光处理技术制备了钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷,研究了坯体形貌、烧结温度对钛酸钡微观结构的影响。结果表明,曲拉通X-100的引入使陶瓷料浆的黏度小于3 Pa·s,同时陶瓷粉体的引入未改变树脂的性质。陶瓷坯体层间结合良好,且无明显缺陷。烧成后的BaTiO_(3)陶瓷内部含有四方与正交两种晶相,剩余极化强度为27.6μC/cm^(2),矫顽场为4.6 kV/cm,相对介电常数为2512,介电损耗为0.0091,居里温度为167℃,介电常数为182 pC/N。

玻璃掺杂及烧结工艺对BCZT压电陶瓷的影响

采用传统的固相反应法制备了(Ba_(0.85)Ca_(0.15))(Ti_(0.9)Zr_(0.1))O_(3)(BCZT)以及掺杂Al-Mg-Ca玻璃粉的BCZT无铅压电陶瓷。首先研究了预烧温度对BCZT陶瓷粉体的影响,其次研究了掺杂Al-Mg-Ca玻璃粉对BCZT无铅压电陶瓷的烧结性能、介电性能和压电性能的影响。最后通过正交试验确定了其烧结工艺。结果显示BCZT粉体的最佳预烧温度在1100℃。掺杂Al-Mg-Ca玻璃粉能够有效降低BCZT陶瓷的烧结温度。通过烧结工艺正交实验获得了最佳烧结工艺:1100℃预烧,1350℃烧结,升温速度为2℃/min,保温时间为7 h,在110 min降温至800℃。验证正交试验所得到的结果是掺杂Al-Mg-Ca玻璃粉的BCZT陶瓷的居里温度点的介电常数为12228,压电常数d_(33)为425 p C/N。

基于自适应PI模型的压电陶瓷驱动器精密定位方法

由于具备较高的定位精确度,压电陶瓷驱动器在超精密加工、微纳米测试等领域应用广泛,然而压电陶瓷固有的迟滞性严重影响其定位精确度。研究了驱动范围对压电陶瓷驱动器迟滞性的影响,实验得出迟滞性随驱动范围增大而显著。而在压电陶瓷驱动器的实际应用中,驱动范围是其主要的设置参数之一。为此,提出基于自适应Prandtle-Ishlinskii(PI)模型的拟合方法,根据不同驱动范围下获得的迟滞曲线的斜率变化趋势设置分段区间,采用二次规划算法辨识PI模型的权重参数,基于分段区间对迟滞曲线进行拟合,大大提高了拟合精确度。设计基于自适应PI模型的逆模型作为前馈控制器对压电陶瓷驱动器进行迟滞补偿,并搭建基于Labview的实验平台验证了该算法的可行性。实验结果表明,基于自适应PI逆模型的前馈控制器将压电陶瓷驱动器的定位精确度提高至1.8 nm。

基于PMNT陶瓷的1-3型压电复合材料软模板法制备及其超声换能器研究

医用高频超声换能器广泛应用于人体及生物组织的精细结构成像。1-3型压电复合材料因具有较高的机电耦合系数和较低的声阻抗而成为高频超声换能器的核心材料。基于有限元计算和软模板法设计制备了高性能Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-PbTiO_(3)陶瓷/环氧树脂压电复合材料,并对材料进行了系统的电学性能测试。结果显示该1-3型压电复合材料具有优异的声学综合性能,其厚度伸缩模式机电耦合系数k t达到70.1%,其声阻抗Z a达19.05 MRayl。利用该材料制备了高频超声换能器,其-6 dB带宽达85%,插入损耗为17.7 dB。结果表明使用软模板法制备的压电复合材料具有适合于超声成像的优异的综合性能,有望促进高频超声换能器的商业化应用。

基于LabVIEW的压电陶瓷强场机械品质因数测量系统

压电材料在强场和弱场条件下的机械品质因数Qm存在较大差别,而目前国际上尚没有通用和成熟的压电材料强场Qm表征方法和测量系统。本文设计了一套基于LabVIEW的压电振子强场机械品质因数测量系统并提出一种新的数据处理方法,实现了仪器控制、波形数据读取、信号滤波和拟合,以及Qm值自动计算功能。用该系统测量了圆环和长条压电振子的Qm值随电压和振动速度变化关系,结果表明随着驱动电场和振动速度的增大,样品的机械品质因数急剧减小。该测量系统运行稳定,可实现仪器控制和数据采集的自动化处理,可以满足压电陶瓷强场机械品质因数测量的需要,能极大地提高测试效率。

钛酸钡与铌酸钾钠无铅压电陶瓷研究进展

钛酸钡(BaTiO_(3))和铌酸钾钠(K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3))压电陶瓷因具有环境友好、电学性能良好、居里温度较好等优势而成为国际高新技术材料研究的前沿热点,有望替代部分铅基压电陶瓷应用于国防、航空航天、通信等领域的电子器件中。本文综述了BaTiO_(3)和K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)压电陶瓷材料的最新研究进展,从构造相界调控压电性能、BaTiO_(3)基压电陶瓷的材料体系设计、K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)基压电陶瓷的热稳定性及改善、压电陶瓷的新型成型及烧结工艺等方面进行客观分析和总结,并展望了两种材料的未来发展趋势,为开发高性能无铅压电陶瓷提供参考。

基于FPGA的千通道压电陶瓷控制系统

针对微位移压电陶瓷驱动器并行控制系统电路结构复杂、成本高、通道数少等缺点,设计一种采用少量D/A转换芯片和高压模拟开关进行循环通道切换的千通道压电陶瓷控制系统。考虑硬件设计和结构安装等系统性问题,采用12个驱动板和1个主控板的设计架构,每个驱动板以4片、16位AD766模数转换芯片和12片MAX14802高压模拟开关芯片为核心,实现192个通道模拟电压输出,12个驱动板组合成2304个通道的输出;主控板作为通信和控制核心,以Artix7系列FPGA芯片为主控芯片,接收上位机发送的数据和命令,并行控制数模转换以及千通道的切换。通过设计与验证,整个系统工作稳定,每个通道的模拟电压绝对误差均小于0.1 V,相对误差百分比优于1.2%。目前系统已成功应用于某光学系统的压电陶瓷位移控制中,该系统通过驱动板的扩展,也可实现上万通道的控制输出。

Li、Ce掺杂对NBTa-CBN高温压电陶瓷性质的影响研究

采用传统固相反应法制备了Ca_(0.5)(Na_(0.5)Bi_(0.5))_(0.5-3 x)(Li_(0.5)Ce_(0.5))_(3x) Bi_(2)TaNb_(0.99)Mn_(0.01)O_(9)(CNBTNM-LC100_(x))高居里温度(T_(C))压电陶瓷。研究了Li、Ce复合离子掺杂对陶瓷结构和电学性质的影响。结果表明,随着Li、Ce掺杂量的增加,CNBTNM-LC100_(x)陶瓷的晶体结构趋于由正交相向四方相转变,压电常数d 33逐渐增大,当x>0.04(x为摩尔分数)时,d 33趋于降低。x=0.04时,具有最优的综合电学性能,d 33约为15.9 pC/N,600℃下直流电阻率ρ约为5.9×10^(5)Ω·cm,介电损耗tanδ(1 MHz)约为7%,T_(C)约为887℃。

一款压电陶瓷高压放大器的设计

本文设计了一款压电陶瓷高压放大器,采用PA85作为放大器的核心部分,主要包括稳压源、控制系统和放大电路三部分。详细介绍了放大器的原理并对其性能进行了分析。对其各项指标进行测试,从而判断是否满足各个领域的应用需求,经验证能够达到预期。

压电陶瓷驱动器迟滞非线性的修正Rayleigh模型建模及实验验证

针对压电陶瓷驱动器建模复杂的技术难点,本文提出了一种基于修正Rayleigh模型的动态迟滞非线性建模方法。首先,针对压电陶瓷材料的机电响应特性,构建了压电驱动器的线性本构方程;然后,基于迟滞效应成因及其微观机理研究,提出了采用Rayleigh模型的非线性建模方法;在此基础上,采用一阶线性方程描述压电驱动器频率相关特性并通过实验验证其有效性;之后,采用双Rayleigh系数,构建了非对称Rayleigh模型;最后,实验验证了Rayleigh模型在压电陶瓷驱动器次环响应中的适用性。

Nb掺杂对Ca_(0.94)Ce_(0.06)Bi_(4)Ti_(4)O_(15)铋层状高温压电陶瓷电学性能影响研究

采用固相反应法制备了Ca_(0.94)Ce_(0.06)Bi_(4)Ti_(4-x)Nb_(x)O_(15)(CCBTN)铋层状高温压电陶瓷,研究了B位Nb掺杂对陶瓷晶体结构、微观形貌、介电、压电性能的影响规律。结果表明:制备的CCBTN陶瓷均具有单一的铋层状结构相,少量Nb掺杂有利于陶瓷压电常数及热稳定性能的提升。当Nb掺杂量x=0.06时,陶瓷具有最高的压电常数(d33=19.2pC·N^(-1)),是纯CBT陶瓷压电常数(d33=8 p C·N^(-1))的2.4倍,且退火至500℃时其压电常数仍保持室温值的90%以上,表现出较优异的热稳定性。同时,该陶瓷具有高的居里温度(Tc=769℃)、低的介电损耗(tanδ=0.65%)及高的电阻率(ρdc=2.0×10^(7)Ω·cm@500℃),是高温压电传感器制作的优异候选材料。

Sb^(3+)和Ba^(2+)共掺杂锆钛酸铅压电陶瓷的制备与表征

以三氧化二锑、碳酸钡为掺杂原材料,采用固相烧结法制备了Sb^(3+)和Ba^(2+)共掺杂锆钛酸铅陶瓷。利用XRD、SEM、自动元件分析仪、准静态D33测量仪、精密阻抗分析仪等对介质的物相、微观形貌、机电性能进行了研究。实验结果表明,Sb^(3+)和Ba^(2+)共掺杂锆钛酸铅陶瓷具有更好的致密性,当掺杂质量分数为1%的Sb_(2)O_(3)和2%的BaO时,机电性能显著提升,相对介电常数为1854,压电系数为439.6 pC/N,机电耦合系数为66%,居里温度从398℃降至380℃。高的压电系数有利于提升锆钛酸铅所制备电子元器件的接收和发射的灵敏度。