層壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷變(bian)壓(ya)器(qi)的振(zhen)動與(yu)疲(pi)勞

層壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷變(bian)壓(ya)器(qi)的振(zhen)動與(yu)疲(pi)勞

推薦使用:GDPT-900A型變(bian)溫D33測試系統(tong)，ZJ-3型準(zhun)靜(jing)態(tai)D33測試儀(yi)

壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)最早(zao)於1956年由C．A．Rosen提(ti)出(chu)。20世(shi)紀80年代(dai)初(chu)，清(qing)華(hua)大學(xue)提出(chu)了多層獨石(shi)化壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)的創(chuang)意及概(gai)念，並在國際上最早(zao)開展(zhan)了多層壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)的研(yan)究(jiu)。由於壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)升(sheng)壓(ya)比(bi)高、電磁幹擾(rao)小(xiao)、轉(zhuan)換(huan)效率高、體(ti)積(ji)小(xiao)、質量(liang)輕(qing)、輸出(chu)波(bo)形好(hao)等優(you)點(dian)，近(jin)年來在液晶顯(xian)示器(qi)背(bei)光電(dian)源、高壓(ya)臭(chou)氧(yang)發生(sheng)器(qi)、空氣(qi)清(qing)新(xin)器(qi)、雷(lei)達等領域(yu)中獲(huo)得(de)了應用。

   壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)是電(dian)場與(yu)振(zhen)動場間相(xiang)互(hu)耦(ou)合的(de)諧(xie)振(zhen)器(qi)件(jian)，在諧振(zhen)狀(zhuang)態(tai)下，器(qi)件(jian)會(hui)因負(fu)載(zai)、使(shi)用環境、輸入電壓(ya)、材(cai)料等因素，產生發熱(re)、疲(pi)勞甚(shen)至(zhi)斷(duan)裂等問題。有(you)關壓(ya)電(dian)陶(tao)瓷材料疲(pi)勞的(de)研(yan)究(jiu)較多，學者(zhe)提出(chu)了壹些疲(pi)勞機(ji)理(li)，目(mu)前廣(guang)為大(da)家接(jie)受(shou)的(de)解釋(shi)主(zhu)要(yao)有(you)疇(chou)夾持模型、電(dian)極(ji)連接(jie)不合(he)適以(yi)及內(nei)應力(li)集(ji)中。Zuo等(deng)人(ren)認(ren)為，在電場(chang)的(de)作用下，由熱(re)應力(li)引起(qi)的微裂(lie)紋(wen)將成為裂(lie)紋(wen)擴(kuo)展(zhan)的根源。Ru等(deng)人(ren)的(de)研(yan)究(jiu)表(biao)明，多層陶瓷器(qi)件(jian)失效的主(zhu)要(yao)機(ji)制是電(dian)極與(yu)陶瓷材料之(zhi)間的界(jie)面(mian)開裂(lie)以(yi)及電(dian)極的界面開裂(lie)。Gong等(deng)人(ren)通過(guo)非線性(xing)有(you)限元(yuan)法模(mo)擬了多層壓(ya)電(dian)器(qi)件(jian)中(zhong)內(nei)電(dian)極周圍的電(dian)場(chang)分(fen)布，並發現在內電(dian)部邊緣的電場分(fen)布非常(chang)不均(jun)勻，因此電(dian)極(ji)周圍(wei)的(de)陶瓷材料因鐵電(dian)轉(zhuan)變(bian)或電(dian)致伸(shen)縮而產生不協(xie)調變(bian)形，形(xing)成裂紋(wen)。為下壹步(bu)深入研(yan)究(jiu)壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)微裂(lie)紋(wen)的形(xing)成及擴(kuo)散(san)機(ji)理(li)，本(ben)實(shi)驗研(yan)究(jiu)了壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)的微振(zhen)動及疲(pi)勞行(xing)為。采(cai)用激光(guang)掃(sao)描(miao)測振(zhen)儀(yi)以(yi)及   疲(pi)勞加載(zai)實(shi)驗測試壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)的特(te)性變(bian)化。  

    1  壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)機(ji)理(li)及(ji)結構(gou)

     通(tong)過摻(chan)雜(za)CdCO、SrCO₃、ZnO或Li2CO₃獲(huo)得(de)壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)所(suo)用高性能低(di)燒(shao)兼優(you)的(de)Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃．Pb(Ni₁/₃Nb₂/₃)O₃壹Pb(ZrTi)O₃壓(ya)電(dian)材(cai)料。多層壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)的結構(gou)如圖1所(suo)示。器(qi)件(jian)內(nei)部有(you)19層陶瓷介質，外(wai)形(xing)尺寸約30 mm8 mmx3 mm。輸入電極(ji)在器(qi)件(jian)的(de)中(zhong)部，輸出(chu)電(dian)極分(fen)布在器(qi)件(jian)的(de)兩(liang)端(duan)。在交變(bian)輸入電壓(ya)以(yi)及機(ji)電耦(ou)合系數(shu)k₃₁和(he)k₃₃的作(zuo)用下，變(bian)壓(ya)器(qi)沿長(chang)度(du)方向(xiang)發生(sheng)諧(xie)振(zhen)。對(dui)於半(ban)波諧(xie)振(zhen)，有(you)壹條節(jie)線出(chu)現在器(qi)件(jian)的(de)中(zhong)心(xin)位(wei)置，對(dui)稱(cheng)的(de)振(zhen)動使變(bian)壓(ya)器(qi)在兩端(duan)產生相(xiang)同(tong)的輸出(chu)電(dian)壓(ya)，即(ji)升(sheng)壓(ya)比(bi)相(xiang)同(tong)。  

    信(xin)號(hao)發生(sheng)器(qi)輸出(chu)正(zheng)弦波形(xing)，實(shi)際輸入電壓(ya)峰(feng)峰(feng)值(zhi)約10 V。在粗測諧振(zhen)頻(pin)率55 kHz附近(jin)微調頻(pin)率，測量串(chuan)聯(lian)小(xiao)電阻兩端(duan)的(de)輸出(chu)電(dian)壓(ya)，如圖4。輸出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)極(ji)大(da)值出(chu)現在54．8 kHz處，此(ci)為樣(yang)品的實際諧振(zhen)頻(pin)率。

   3   疲(pi)勞加載(zai)實(shi)驗 

   疲(pi)勞加載(zai)實(shi)驗條件(jian)：輸入信號(hao)的波(bo)形為正(zheng)弦波，頻(pin)率為半(ban)波諧(xie)振(zhen)頻(pin)率54．8 kHz，電壓(ya)峰(feng)峰(feng)值(zhi)為30 V(實(shi)際工作電壓(ya)在12 V以(yi)下)。輸出(chu)負(fu)載(zai)為94 kΩ無感電阻(zu)。設置循環加載(zai)次數(shu)為10⁹次，即(ji)連續振(zhen)動約5 h。

    由(you)於疲(pi)勞加載(zai)可(ke)能會(hui)導(dao)致諧(xie)振(zhen)頻(pin)率的改(gai)變(bian)，因此在各項(xiang)對(dui)比(bi)分(fen)析(xi)之(zhi)前，首(shou)先(xian)需(xu)要(yao)重(zhong)新(xin)精確(que)測定(ding)變(bian)壓(ya)器(qi)樣(yang)品的半(ban)波諧(xie)振(zhen)頻(pin)率。用示波器(qi)觀察(cha)疲(pi)勞加載(zai)後(hou)變(bian)壓(ya)器(qi)樣(yang)品的輸出(chu)電(dian)壓(ya)，確(que)定(ding)疲(pi)勞後(hou)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率為55．6 kHz，與(yu)疲(pi)勞加載(zai)前的(de)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率54．8 kHz比，相(xiang)對(dui)漂(piao)移(yi)量(liang)約1.5％。
    3.2   諧振(zhen)模(mo)態(tai)振(zhen)動的衰退
   使(shi)用激光(guang)測振(zhen)儀(yi)，在定(ding)頻(pin)模式測得疲(pi)勞加載(zai)後(hou)變(bian)壓(ya)器(qi)樣(yang)品在壹個振(zhen)動周期裏(li)的(de)圖像(xiang)。圖(tu)5a中(zhong)，各測量點(dian)的(de)振(zhen)動相(xiang)位(wei)比較壹致，說(shuo)明在疲(pi)勞加載(zai)前，變(bian)壓(ya)器(qi)樣(yang)品長(chang)度(du)方向(xiang)上的形變(bian)十分(fen)協調：圖(tu)5b中，各測量點(dian)的(de)振(zhen)動有(you)些雜亂(luan)，這(zhe)說(shuo)明在疲(pi)勞加載(zai)後(hou)樣(yang)品振(zhen)動有(you)些不穩定(ding)。從直觀(guan)上可(ke)以(yi)判斷(duan)，疲(pi)勞加載(zai)使(shi)得(de)變(bian)壓(ya)器(qi)樣(yang)品的振(zhen)動表(biao)現有(you)所(suo)衰退。定(ding)量分(fen)析(xi)上，圖5a中顯(xian)示輸出(chu)端(duan)端部的振(zhen)動速率在300μm／s左(zuo)右，而(er)圖5b中(zhong)僅(jin)在100 μm／s左(zuo)右。由(you)此表(biao)明，疲(pi)勞加載(zai)除(chu)了使多(duo)層壓(ya)電(dian)  變(bian)壓(ya)器(qi)的形(xing)變(bian)與(yu)振(zhen)動的協調性(xing)變(bian)差外(wai)，還(hai)使得(de)整(zheng)體(ti)的(de)振(zhen)動速率下降(jiang)，振(zhen)動幅(fu)度(du)變(bian)小。

   輸入信號(hao)的頻(pin)率固(gu)定(ding)在樣(yang)品的半(ban)波諧(xie)振(zhen)頻(pin)率54.8kHz處，改(gai)變(bian)輸入信號(hao)的電(dian)壓(ya)幅(fu)值(zhi)，測得輸入端端(duan)部振(zhen)幅(fu)Ai對(dui)輸入信號(hao)電壓(ya)峰(feng)峰(feng)值(zhi)VP-P的曲線，如圖6所(suo)示。在輸入電壓(ya)小(xiao)於4 V時，變(bian)壓(ya)器(qi)輸入端振(zhen)幅(fu)與(yu)輸入電壓(ya)呈現線性(xing)關(guan)系；當(dang)電壓(ya)大(da)於4V後(hou)，進(jin)入非線性(xing)區；大於10 V後(hou)，振(zhen)幅(fu)逐(zhu)漸趨於飽(bao)和(he)。

     1)有(you)限元(yuan)法獲(huo)得(de)變(bian)壓(ya)器(qi)半(ban)波諧(xie)振(zhen)頻(pin)率約55 kHz，全波諧(xie)振(zhen)頻(pin)率約110 kHz。
     2)激光(guang)測振(zhen)儀(yi)測得壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)半(ban)波諧(xie)振(zhen)頻(pin)率為55．7kHz；信(xin)號(hao)發生(sheng)器(qi)與(yu)示波器(qi)配(pei)合(he)，根據輸出(chu)顯(xian)示，測得壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)的諧(xie)振(zhen)頻(pin)率為54．8 kHz。實(shi)驗結果(guo)與(yu)有(you)限元(yuan)計(ji)算基(ji)本壹致。
     3)疲(pi)勞加載(zai)除(chu)了使多(duo)層壓(ya)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)的形(xing)變(bian)與(yu)振(zhen)動的協調性(xing)變(bian)差外(wai)，還(hai)使得(de)整(zheng)體(ti)的(de)振(zhen)動速率下降(jiang)，振(zhen)動幅(fu)度(du)變(bian)小，升(sheng)壓(ya)比(bi)降(jiang)低(di)，約是疲(pi)勞前的(de)85％左(zuo)右 。