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交叉指形电极压电驱动元件研究

作　者: 李允
导　师: 沈星
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 交叉指形电极压电驱动元件 压电常数 有限元方法 驱动性能 极化工艺
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


交叉指形电极压电驱动元件采用交叉指形电极取代普通的平面电极,此电极同时为制备过程的中极化电极和工作电极,使极化方向和工作主方向一致,使用了较大的压电常数d33或e33,所以与普通电极压电驱动器相比,交叉指形电极压电驱动器在主方向上的应变和应力可以提高很多。而且电极形式的革新,使得压电驱动器在驱动平面内具有正交各向异性的优良特性。交叉指形电极和压电纤维复合材料技术相结合改善了纯陶瓷压电元件脆性大的缺点使之具有较高的韧性,扩展了压电驱动器的应用范围。本文采用有限元软件ANSYS,分析了交叉指形电极压电纯陶瓷元件和交叉指形电极压电纤维复合材料的电场分布及材料、结构参数的改变对其驱动性能的影响。研究了交叉指形电极压电纯陶瓷元件的极化工艺,总结出最佳极化电压、极化温度和极化时间。本文的主要研究内容及其成果为:1.研究了交叉指形电极压电驱动器的发展历史以及压电陶瓷的基本特性和本构关系。2.介绍了有限元方法及其在压电驱动器分析中的理论及应用,给出了应用ANSYS分析交叉指形电极压电驱动器的一般步骤。3.应用有限元方法分析了交叉指形电极关键尺寸、压电陶瓷材料参数对纯陶瓷压电驱动器电场分布以及驱动性能影响,并与N.Hagood的实验结果进行对比分析。4.应用有限元软件分析了电极及两相结构关键尺寸、聚合物相的材料常数对交叉指形电极压电纤维复合材料的驱动性能的影响。5.实验研究了交叉指形电极压电纯陶瓷元件的极化工艺,对极化电场、极化温度和极化时间等工艺参数进行实验研究,并测量一定电压下的自由变形量值,确定最佳极化条件。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章 绪论  13-21
  1.1 智能材料结构的发展与现状  13-15
  1.2 智能材料结构中的驱动元件  15-16
  1.3 提高压电元件驱动性能的途径  16-17
  1.4 课题来源及研究意义  17-18
  1.5 交叉指形电极压电驱动元件的研究概况  18-20
  1.6 本论文研究的主要内容  20-21
第二章 压电元件基础理论  21-27
  2.1 压电本构方程  21-23
    2.1.1 正压电效应和逆压电效应  21
    2.1.2 压电陶瓷力电耦合本构关系方程  21-23
  2.2 有限元方法及ANSYS  23-24
  2.3 ANSYS 环境下材料参数的输入  24-26
    2.3.1 普通电极压电驱动元件ANSYS 环境下材料参数输入  24-25
    2.3.2 交叉指形电极压电驱动元件ANSYS 环境下材料参数输入  25
    2.3.3 聚合物相材料参数的输入  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章 纯陶瓷压电元件驱动性能仿真研究  27-42
  3.1 纯陶瓷压电驱动元件  27-29
    3.1.1 普通电极压电纯陶瓷驱动元件  27-28
    3.1.2 交叉指形电极压电纯陶瓷驱动元件  28-29
  3.2 理论计算、仿真结果与实验结果对比分析  29-33
    3.2.1 驱动器结构尺寸的确定  29
    3.2.2 理论计算  29-30
    3.2.3 有限元仿真计算  30-32
    3.2.4 结果对比分析  32-33
  3.3 交叉指形电极压电元件驱动性能分析  33-40
    3.3.1 交叉指形电极压电元件的静电场分析  33-35
    3.3.2 分支电极中心距对压电纯陶瓷元件驱动性能的影响  35-36
    3.3.3 分支电极宽度对压电纯陶瓷元件驱动性能的影响  36-37
    3.3.4 压电陶瓷弹性模量对纯陶瓷压电元件驱动性能的影响  37-39
    3.3.5 压电陶瓷泊松比对压电纯陶瓷元件驱动性能的影响  39-40
  3.4 本章小结  40-42
第四章 压电纤维复合材料驱动性能仿真研究  42-59
  4.1 压电复合材料的分类  42-44
  4.2 压电纤维复合材料及其本构方程  44-47
    4.2.1 普通电极1-3 型压电纤维复合材料  44-46
    4.2.2 交叉指形电极1-3 型压电纤维复合材料  46-47
  4.3 驱动性能分析  47-57
    4.3.1 有限元模型的建立  48-49
    4.3.2 交叉指形电极结构关键尺寸对驱动性能的影响  49-50
    4.3.3 聚合物层厚度对驱动性能的影响  50-51
    4.3.4 聚合物宽度对驱动性能的影响  51-52
    4.3.5 压电陶瓷纤维截面尺寸对驱动性能的影响  52-53
    4.3.6 聚合物相弹性模量对驱动性能的影响  53-55
    4.3.7 聚合物相泊松比对驱动性能的影响  55-56
    4.3.8 聚合物相相对介电常数对驱动性能的影响  56-57
  4.4 本章小结  57-59
第五章 交叉指形电极压电元件实验研究  59-69
  5.1 样品制备  59-60
  5.2 极化工艺参数的确定  60-64
    5.2.1 极化电压的确定  60-62
    5.2.2 极化温度的确定  62-63
    5.2.3 极化时间的确定  63
    5.2.4 极化过程  63-64
  5.3 不同极化条件对驱动性能的影响  64-68
    5.3.1 极化电压对驱动性能的影响  65-66
    5.3.2 极化温度对驱动性能的影响  66-67
    5.3.3 极化时间对驱动性能的影响  67-68
  5.4 本章小结  68-69
第六章 结论与展望  69-71
  6.1 结论  69-70
  6.2 展望  70-71
参考文献  71-74
致谢  74-75
在学期间的研究成果及发表的学术论文  75

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电工材料 > 电工陶瓷材料 > 压电陶瓷材料
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