压电陶瓷基本特性研究.pdfVIP

第 6 卷　第 5 期 光学　精密工程 . 6, . 5 V o l N o 1998 年 10 月 O P T IC S AN D PR EC IS ION EN G IN EER IN G O ctob er , 1998 压电陶瓷基本特性研究 张　涛　　孙立宁　　蔡鹤皋 ( 哈尔滨工业大学机器人研究所　　哈尔滨 15000 1) 　　摘要　随着压电陶瓷应用领域的不断扩大, 压电陶瓷作为一种精密驱动器件, 其 自身的性能日益受到使用者的关注。本文对压电陶瓷器件位移特性、出力特性、温度特 性及蠕变特性进行了详尽的论述和分析, 推导了压电陶瓷和电致伸缩陶瓷的归一化模 型, 并对国内外典型的压电陶瓷器件的位移特性进行了分析。 关键词　　压电陶瓷　基础特性　归一化模型 1　引　　言 　　压电陶瓷微位移器是近年来发展起来的新型微位移器件, 它具有体积小、重量轻、精度和 分辨率高、频响高、出力大等优点, 在光学、电子、航天航空、机械制造、生物工程、机器人等技术 领域得到了广泛应用, 而且 日益受到重视。压电陶瓷的特性和性能指标直接影响机械结构和控 制系统的设计, 因而急需对其性能有明确的阐述。本文针对这一问题, 在多年的研究基础上结 合使用中的体会, 对压电陶瓷的基本特性进行了分析, 给出了几种国内外常见的压电陶瓷的特 性曲线。 2　压电陶瓷基本原理 　　压电陶瓷和电致伸缩陶瓷都是电介质, 电介质在电场的作用下有两种效应, 即逆压电效应 和电致伸缩效应。其中逆压电效应是指电介质在外电场的作用下产生应变, 应变大小与电场大 小成正比, 应变的方向与电场方向有关。而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。上述效应可用 公式表达如下: 国家自然科学基金、国家八六三计划资助 收稿 日期: 1998- 07- 10 修稿 日期: 1998- 08- 20 5 期 张　涛　等: 压电陶瓷基本特性研究　　　　　　　　　　　 27 s = d E + M E 2 ( 1) 式中: d E : 逆压电效应; 　　M E 2 : 电致伸缩效应 d : 压电系数( ) ; 　　M : 电致伸缩系数( 2 2 ) ; m V m V E : 电场强度( ) ; 　　 s : 应变。 V m 其中逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有, 而电致伸缩效应则在所有的电介质晶体中 都有, 不过一般来说都很微弱。压电陶瓷的逆压电效应和电致伸缩效应本质上就是电介质在电 场的作用下产生极化, 在电场力的作用下产生形变, 在宏观上表现为机电耦合效应。 3　压电陶瓷基本特性 3 1　位移特性 电介质在电场作用下电极化的强弱可用电极化强度来表示, 电极化强度p 是单位体积内 q 1 ∑ 电偶极矩的矢量和, 即p = 。它直接反映了电介质在电场中电学与力学的联系。 V 我们以经过预极化的压电陶瓷为例分析外加电场和压电陶瓷内部极化电荷之间的关系。 (