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叠堆压电陶瓷结构特点

更新时间：2021-02-20 14:57:31点击次数：2862次

叠堆型压电陶瓷

叠堆型压电陶瓷又被称为压电致动器、压电执行器、压电促动器等。叠堆型压电陶瓷是将压电陶瓷基片，通过叠层粘结共烧工艺形成的（单层压电陶瓷基片的厚度为100μm左右），这种工艺制备的压电陶瓷可以承受很大的压力，刚度大，但所承受的拉力有限。
叠堆型压电陶瓷包括大量的陶瓷薄片。其结构特点是供电电极被设计在陶瓷薄片的两侧，陶瓷整个截面积均可参加致动，出力很大，性能可以完好展现，而且不存在局部电场变形，不易出现点应力。图1展示了一个由PZT（锆钛酸铅）陶瓷层叠堆形成的压电陶瓷，多层陶瓷薄片连接形成了多层电容器结构。对陶瓷施加电压后，压电陶瓷在Z轴方向会做伸长运动（伸长量的最大典型值是陶瓷长度的0.1%-0.2%）。出力是通过上下端面输出给外部机械结构的。


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图1




压电陶瓷逆压电效应的最大位移，取决于所加电场强度和陶瓷材料的磁化饱和度。陶瓷的击穿电压限制了最大电场强度。对应使用不同厚度的单层陶瓷基片，场强值可对应不同的电压值。而对于更小厚度的薄片，最大电压会有所降低。现在叠堆型压电陶瓷组成陶瓷薄片的厚度一般为100μm，典型的使用电压为150V。


叠堆型压电陶瓷的分类

叠堆型压电陶瓷分为低压和高压两种类型，这两种类型陶瓷的生产工艺是完全不同的：
●低电压压电陶瓷的电压使用范围为0-150V，陶瓷层及内部的金属电极层在高温烧结之前被层叠在一起，然后进行高温烧结。内部电极是非常薄的金属膜（厚度约1μm）。这种制作陶瓷的工艺通常被称为“单片共烧工艺”。
●高电压压电陶瓷的电压使用范围为0-500V或1000V，在叠堆前就已经完全烧结并制成PZT板/片。插入电极是由单独的薄金属箔制成。整个结构用一种特殊的高品质胶粘剂来固定在一起。因此，高压叠堆陶瓷不是一个整块陶瓷，而是一种复合材料。


叠堆型压电陶瓷使用的注意事项

由于叠堆型压电陶瓷是将压电陶瓷薄片，通过叠层粘结共烧工艺形成的，这种工艺特点使得其抗压强度远远大于其拉伸强度。
当陶瓷动态应用时，由于陶瓷材料本身的加速度，压缩力和拉伸力同时产生。为了避免损坏压电陶瓷，可以采用给陶瓷加预载力的方式来保护陶瓷，一般情况下，预载力的大小为最大负载的十分之一。


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以下情况下，建议使用有预载力的致动器：
●拉力会作用于致动器
●动态应用
●剪切力（垂直于运动方向以外的力）作用于致动器


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压电陶瓷不能承受剪切力、侧向力以及扭转力。加载于陶瓷移动端的力应尽量作用于陶瓷运动方向的中心。陶瓷的四周应尽量保持不受夹持。

 


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