Polohovací a ohybové chování piezoelektrických vrstev na bázi Ba (Ti, Sn) O3 keramiky

  Úvod

  Obvykle jsou piezoelektrické ohýbací akční členy navrženy jako unimorph s jednou piezoelektrickou aktivní vrstvou nebo bimorph se dvěma piezoelektrickými aktivními vrstvami, které jsou FGM ohýbací pohony z monolitické keramiky s jednorozměrným gradientem chemického složení. Proces polování transformuje chemický gradient na gradient piezoelektrického koeficientu d31. mechanicky spojené vrstva lepidla.

  Zde byly připraveny pohony na bázi BaTi1xSnxO3

  Na druhé straně se v posledních letech vyráběly monolitické keramické ohýbací pohony. Tyto pohony jsou založeny na funkčních gradientových materiálech (FGM) s jednorozměrným gradientem piezoelektrické aktivity. Ve srovnání s konvenčními jednopohonovými a bimorphovými pohony mají ohýbací mechanismy FGM určité výhody. Za prvé, díky relativně jednoduché přípravě mohou snížit výrobní náklady. Za druhé, je možné překonat problémy spojené s lepenou vrstvou, jako je odlupování nebo praskání. Za třetí, hladký gradient piezoelektrické aktivity může snížit vnitřní mechanické namáhání a prodloužit životnost a zlepšit spolehlivost piezoelektrických ohýbacích přístrojů.2 (BTS) keramiky s různým množstvím cínu (0,0754 x 40,15). Tyto piezoelektrické vlastnosti mají maximum u obsahu cínu 7,5% mol. A silně se s rostoucím množstvím cínu výrazně snižují. Jinak se s rostoucím obsahem cínu zvyšuje dielektrický koeficient e33.

  příprava vzorků

BaTi1 xSixO3 keramika (0.0754x40.15) byla vyrobena klasickou technikou smíšeného oxidu. Sintrování bylo prováděno při teplotě 1400 oC po dobu 1 hodiny při rychlosti ohřevu a chlazení 10 K min 1, aby se získala hrubosrstá keramika se střední velikostí zrna asi 80 mm.

  Monolitické vícevrstvé struktury s gradientem obsahu cínu byly připraveny následným lisováním odpovídajícího prášku. Skládají se ze dvou, tří a čtyř vrstev a jsou nazývány v následujících bimorph, trimorph a 4-morph. Chemické složení a konfigurování vrstev je uvedeno v tabulce 1. Vrstvy se nazývají BTSx, kde x je množství cínu v% mol.

  Během slinování monolitických vzorků se oblouk obou částí provádí samostatně. Tak např. U N vrstev máme systém N rovnic. Dále můžeme odvodit panenskou smyčku P (E) vícevrstvého systému použitím podmínek různých koeficientů tepelné roztažnosti keramických vrstev BaTi1 xSixO3. Zejména byl získán silný ohybový účinek pro bimorfní strukturu. Čím vyšší je počet vrstev, tím nižší je zakřivení vzorku. Struktura 4-morfů je téměř neoslepená.

Dále byly připraveny dvě modelové struktury pro změnu modelování: konvenční lepené ohýbací zařízení a vodič připojený systém, kde byly vrstvy spojeny pouze elektricky. Systém připojený vodičem ideálně odpovídá modelovacím předpokladům, protože při mechanickém namáhání není vyvoláno žádné jiné mechanické namáhání různými remanentními deformacemi vrstev. Vliv této zátěže lze odhadnout pomocí lepených vzorků. Modelové struktury byly vytvořeny z keramických desek se stejným chemickým složením a konfigurací jako u monolitických vzorků. Všechny zkoumané vzorky měly stejné rozměry, délka L = 15 mm, tloušťka H = 1,2 mm a šířka W = 4 mm.

  Panenská smyčka P (E) vrstvy s nejnižší indukovanou nebo spontánní polarizací byla měřena až do pevnosti elektrického pole asi 2 kV / mm. Předpokládali jsme, že materiál byl v tomto elektrickém poli úplně poledně a polarizace dosáhla nasycení. Vzhledem k tomu, že polarizace v ostatních vrstvách nemůže být vyšší než ve vrstvě s polarizací nasycení, zbývající vrstvy by neměly být úplně poledované. Na obr. 1 jsou znázorněny panenské smyčky jednotlivých vrstev a vypočtená P (E) křivka bimorfu.

  Kromě toho lze vypočítat pevnost elektrického pole v každé vrstvě v závislosti na použitém napětí. To nám umožnilo odvodit panenskou smyčku napětí S3 paralelně s elektrickým obloukem. Virginské smyčky jednotlivých vrstev byly měřeny až do maximálního elektrického pole v této vrstvě vypočtené ekvivalentem. (2).

  Zde jsou základní myšlenky modelování polingu, účinný kmen S3 systému určován posunem každé vrstvy. Použití rovnice. (2) a následující podmínku,

chování feroelektrických vícevrstvých struktur je velmi krátké

  Cílem modelování je vypočítat původní křivku P-E konstrukce sestávající z N vrstev s různými feroelektrickými vlastnostmi. Předpokládali jsme, že dielektrický posun D3 je konstantní a elektrická vodivost je zanedbávána. Takže polarizace P3 sousedních vrstev je stejná, odvozujeme závislost kmene S3 na použitém napětí. Zde H je tloušťka celého systému a h (i) tloušťka vrstvy i. Obrázek 2 ilustruje dobrou shodu tohoto modelování s experimentálními výsledky.

  Závislost polarizace na použitém napětí, respektive na pevnosti elektrického pole E3 ve vrstvě, silně závisí na množství cínového materiálu. Použili jsme naměřené panenské smyčky P (E) z jednotlivých keramických desek s určitým obsahem cínu a experimentální data naměřili dvěma různými polynomy E (i) = f (P) pro zvýšení a snížení elektrického pole. Modelování

  3. Chování při chůzi

  3.1.Modelování

  Obecně platí, že defekce ohýbacího zařízení závisí na rozdílu dilatace vrstev podélně. Oba, piezoelektrické a dielektrické koeficienty vrstev ovlivňují dilataci. Nejprve piezoelektrický efekt de fi nuje deformaci vrstvy v závislosti na síle elektrického pole. Na druhé straně hodnota elektrického pole ve vrstvě závisí na dielektrickém koeficientu. Předpokládali jsme, že elastické vlastnosti zkoumané BTS keramiky nezávisí na množství cínu. V důsledku toho může být vyloučení d na konci jednopólového pohonu vypočteno teorií Marcus4.

Vzorek byl na jedné straně upevněn, deformace ohybu byla měřena kapacitním čidlem na volném konci. Bylo použito sinusové napětí 137 Hz, mnohem nižší než mechanická rezonanční frekvence ohýbacího akčního členu.

  Na vzorek bylo aplikováno maximální napětí asi 100 V. Síla elektrického pole může být v některých vrstvách vyšší, protože dielektrické koeficienty jsou zcela odlišné. V tabulce 2 jsou uvedeny hodnoty elektrického pole každé vrstvy v systému 4-morph, vypočítané pro napájecí napětí přibližně 100 V. Hodnoty byly odvozeny rovnicí Eq. (4).

  Bipolární napětí bylo aplikováno na pohon a byla vypočítána průměrná hodnota kladného a záporného maximálního odběru. Na obr. 3 je vidět nárůst maximálního odrazu připojeného kabelového vzorku nelineárně se zvyšujícím se napětím vyšším než 40 V / mm. Vzorky, které byly lepeny před polingem a monolitické vzorky, vykazují lineární závislost.

   Elektrické pole ve vrstvě i závisí na použitém napětí Uappl a dielektrických koeficientech e33 všech vrstev následujícím způsobem> průměrné maximální odchylky na použitém napětí.

  V opačném případě odchylka všech konstrukcí závisí na vyšším napětí nelineárně na použitém napětí.

  Navíc jsou ohýbací smyčky asymetrické (obr. 4).

  Rozptyl se silně zvyšuje ve směru pole polingu. V opačném směru je ohybový výtok mnohem menší. Tento nelineární efekt je slabší u monolitických a lepených vzorků, které již byly.

  3.2.Prospěšné výsledky

  Proces polingu byl optimalizován tak, aby získal nejlepší piezoelektrické vlastnosti jednotlivých vrstev. Na 5 sekund bylo použito stejnosměrné napětí. Všechny vzorky byly ponechány při pokojové teplotě. Systém drátů byl použit k určení piezoelektrických a dielektrických koeficientů spojených během polohování.

Obr. 2. Naměřená a modelovaná panenská smyčka S3 (E3) monolitického trimorfu.

Obr. 3. Průměrná hodnota maximální odchylky v závislosti na aplikovaném bipolárním napětí pro trimorfní systémy.

Obr. Bipolární ohybové smyčky monolitických a modelových pohonů při napájecím napětí přibližně 100 V.

Obr. 5. Odchylka modelových struktur a monolitických ohýbacích zařízení v závislosti na počtu vrstev při aplikovaném napětí 30 V.

  Na obrázku 5 byly experimentální výsledky porovnány s modelováním. Byly použity pouze údaje naměřené při malých napětích (30 V), kde nelineární efekty zmizely. Data vzorku připojeného drátu byly v nejlepším souladu s modelováním. Ohýbání monolitických vzorků s více než dvěma vrstvami může být také dobře popsáno s analytickou aproximací. Předpokládáme, že rozdíly monolitického bimorfu jsou spojeny se silným ohýbáním tohoto vzorku slinováním.

  Byla získána nižší de fi niční struktura, která byla nejprve lepena předtím, než byla poledována. To může být způsobeno mechanickým namáháním kolmým k elektrickému poli indukovanému remanentním kmenem po polingu. Navrhujeme, aby mechanické namáhání způsobené upnutím ovlivnilo stupeň politování vrstev a tím i piezoelektrické a dielektrické koeficienty. Monolitické vzorky jsou keramika s hladkým přechodem množství cínu mezi vrstvami.

  Mechanické namáhání by mělo být mnohem nižší u takových zařízení založených na FGM.2 Navíc vliv lepidla při polingu není jasný.

  4.Summary

  Byly připraveny monolitické Ba (Ti, Sn) O3 keramiky s gradientem množství cínu a poled. Remanentní polarizace Pr po polingu byla mírně vyšší než u modelových struktur. Předpokládali jsme, že to bylo způsobeno hladkým přechodem množství cínu mezi sousedícími vrstvami v monolitické keramice. Na základě výsledků modelování jsme našli dobrou korespondenci. I když je maximální poloha elektrického pole ve vrstvách s vyšší spontánní polarizací (BTS7.5) při polingu mnohem nižší, mají vrstvy vysoké piezoelektrické koeficienty. Rozložení ohybových pohonů je poměrně lineární při malých jízdních napětích a může být popsáno s analytickou aproximací. Vyšší napětí ve směru posunu způsobuje zvýšení odrazu. Odlehčení pohonu se však sníží na negativním elektrickém poli. I přes malé rozdíly v Pr mezi monolitickými a modelovými strukturami byla zjištěna vynikající konzistence ohybových vlastností. Monolitické ohýbací zařízení založená na FGM nejsou nižší než srovnatelné lepené pohony. V opačném případě je ohybová odchylka asi 0,02 mm / V mnohem nižší než u konvenčních zařízení se středními elektrodami, kde jsou vrstvy pojížděny v opačném směru (0,11 mm / V).