سلوك الانحناء والانحناء من الطبقات متعددة كهرضغطية على أساس الخزف O (Ba، Ti) O3

  المقدمة

  عادة ، تم تصميم مشغلات الانحناء كهرضغطية على أنها غير متناظرة مع طبقة نشطة كهرضغطية نشطة أو شظية مع طبقتين نشطة كهرضغطية ، وهي عبارة عن مشغلات انحناء FGM مصنوعة من سيراميك متآلف مع تدرج أحادي الأبعاد للتركيب الكيميائي. تحول عملية اللدنة التدرج الكيميائي إلى تدرج معامل الكهرضرية d31. انضمت ميكانيكيا بواسطة طبقة الغراء.

  هنا ، تم إعداد المحركات على أساس BaTi1xSnxO3

  من ناحية أخرى ، في السنوات الأخيرة تم إنتاج مشغلات انحناء السيراميك متجانسة. وتستند هذه المحركات على مواد التدرج الوظيفي (FGM) مع تدرج واحد الأبعاد للنشاط كهرضغطية. بالمقارنة مع أحادي وثنائي الشكل التقليدي ، فإن مشغلات الانحناء القائمة على ختان الإناث لديها بعض المزايا. أولاً ، بسبب إعدادها البسيط نسبياً ، فإنها قد تقلل من تكلفة الإنتاج. ثانيًا ، من الممكن التغلب على المشكلات المرتبطة بالطبقة الملتصقة مثل تقشيرها أو تكسيرها. ثالثًا ، يمكن للتدرج السلس للنشاط الانضغاطي التقليل من الإجهادات الميكانيكية الداخلية وإطالة العمر وتحسين موثوقية خزانات الانحناء الكهرضغطية. (BTS) مع كمية مختلفة من القصدير (0.0754 × 40.15). تمتلك الخواص الكهربائية الانضغاطية أقصى محتوى من القصدير يبلغ 7.5 مول٪ وتنخفض بقوة مع زيادة كمية القصدير. خلاف ذلك ، يزداد معامل العزل الكهربائي e33 بزيادة محتوى القصدير.

  إعداد عينة

تم إنتاج الخزف BaTi1 xSixO3 (0.0754x40.15) بواسطة تقنية الأكسيد المختلط الكلاسيكي. تم إجراء عملية التلبيد عند 1400 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة مع معدل تسخين وتبريد 10 K 1 دقيقة للحصول على سيراميك حبيبات خشنة بمتوسط ​​حجم الحبوب حوالي 80 ملم.

  تم إعداد تراكيب متعددة الطبقات متجانسة مع تدرج محتوى القصدير بواسطة الضغط المتتابع للمسحوق المقابل. وهي تتكون من طبقتين ، ثلاث وأربع طبقات ، ويتم استدعاؤها في الشكل التالي ، و trimorph و 4-morph ، على التوالي. يتم عرض التركيب الكيميائي وتكوين الطبقات في الجدول 1. وتسمى الطبقات بـ BTSx ، حيث أن x هي كمية القصدير في النسبة المئوية للمول.

  أثناء التكلس ، يتم تنفيذ ثني العينات المتجانسة بسبب كل من هذه الأجزاء منفصلاً. وهكذا ، على سبيل المثال مع طبقات N حصلنا على نظام معادلات N. علاوة على ذلك ، يمكننا استخلاص الحلقة العذراء P (E) من النظام متعدد الطبقات باستخدام معاملات التمدد الحراري المختلفة لطبقات السيراميك BaTi1 xSixO3. على وجه الخصوص ، تم الحصول على تأثير انحناء قوي للبنية ثنائية الشكل. أعلى من عدد الطبقات أقل من انحناء العينة. هيكل 4-morph تقريبًا غير منحرفة.

بالإضافة إلى ذلك ، تم إعداد بنائين نموذجيين من أجل تنويع النمذجة: جهاز منحني ملتصق تقليدي ونظام متصل بأسلاك ، حيث كانت الطبقات متصلة بالكهرباء فقط. يتطابق النظام المتصل بالأسلاك بشكل مثالي مع افتراضات النمذجة ، لأنه لا يوجد إجهاد ميكانيكي ناتج عن إجهاد مختلف من الطبقات أثناء عملية البولنج. يمكن تقدير تأثير هذا الضغط باستخدام العينات الملتصقة. كانت هياكل النموذج تتكون من صفائح خزفية لها نفس التركيب الكيميائي والتشكيل كما في العينات المتجانسة. جميع العينات التي تم فحصها لها نفس الأبعاد ، الطول L = 15mm ، السمك H = 1.2 mm و العرض W = 4 mm.

  تم قياس الحلقة العذراء P (E) للطبقة التي لديها أقل استقطاب استحثاث أو استقطاب spontanous إلى قوة كهربائية تبلغ حوالي 2 kV / mm. افترضنا أن المادة قد تم تلميعها بالكامل في هذا الحقل الكهربائي وأن الاستقطاب قد بلغ التشبع. نظرًا لأن الاستقطاب في الطبقات الأخرى لا يمكن أن يكون أعلى من الطبقة التي بها استقطاب التشبع ، يجب ألا تكون الطبقات الباقية قد تم تلميعها بالكامل. في الشكل 1 ، يتم عرض الحلقات البكرية للطبقات المفردة والمنحنى المحسوب من P (E) في الشكل البسيط.

  علاوة على ذلك ، يمكن حساب قوة المجال الكهربائي في كل طبقة بالاعتماد على الجهد المطبق. هذا سمح لنا باستنتاج الحلقة العذراء من سلالة S3 الموازية للحقل الكهربائي. تم قياس الحلقات البكر من طبقات واحدة إلى الحد الأقصى للحقل الكهربائي في هذه الطبقة المحسوبة بواسطة Eq. (2).

  هنا ، يتم تحديد الأفكار الأساسية لنمذجة polingtion ، سلالة فعالة S3 للنظام من خلال تشريد كل طبقة. باستخدام المعادل. (2) والحالة التالية:

سلوك هياكل متعددة الطبقات متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف وبري فلوريدا ذ

  الهدف من النمذجة هو حساب منحنى P-E البكر لبنية تتكون من طبقات N بخصائص مختلفة للعازل الكهربائي الشفاف. افترضنا أن الإزاحة العازلة D3 ثابتة وأن الموصلية الكهربائية مهملة. وهكذا ، فإن P3 الاستقطاب من الطبقات المجاورة متساوٍ ، وقد استنتجنا اعتماد السلالة S3 على الجهد المطبق. هنا ، H هي سماكة النظام بأكمله و h (i) سمك الطبقة i. يوضح الشكل 2 الاتفاق الجيد لهذه النمذجة مع النتائج التجريبية.

  يعتمد اعتماد الاستقطاب على الجهد المطبق ، على التوالي على القوة الكهربائية E3 في الطبقة ، بشدة على كمية القصدير. كنا عذراء قياس حلقات P (E) من صفائح السيراميك واحدة مع نسبة القصدير معين وفاي tted البيانات التجريبية من قبل اثنين من مختلف متعددو E (ط) = و (P) لزيادة وخفض ELD فاي الكهربائية، على التوالي. النمذجة

  3. السلوك الانقباضي

  3.1.Modeling

  بشكل عام ، يعتمد تحديد جهاز الانحناء على اختلاف توسع الطبقات بالطول. كلا ، معاملات كهرضغطية وعازلة للطبقات في التوسيع. أولاً ، يحد التأثير الكهروإجهادي من سلالة الطبقة اعتماداً على قوة الحقل الكهربائي. من ناحية أخرى ، تعتمد قيمة المجال الكهربائي في طبقة على مقاومة العزل الكهربائي. افترضنا ، أن الخصائص المرنة للخزف BTS المحقق لا تعتمد على كمية القصدير. وبالتالي ، يمكن حساب القدر d في نهاية المشغل ذي الجانب الواحد من خلال نظرية ماركوس 4.

تم قياس العينة على جانب واحد ، تم قياس ثني الانحناء بجهاز استشعار التكاثف السعوي في النهاية الحرة. تم استخدام جهد جيبي قدره 137 هرتز ، وهو أقل بكثير من تردد الرنين الميكانيكي لمولد الانحناء.

  تم تطبيق أقصى جهد حوالي 100 فولت على العينة. يمكن أن تكون قوة الحقل الكهربائي أعلى في بعض الطبقات ، لأن معاملات العزل الكهربائي مختلفة تمامًا. في الجدول 2 يتم عرض قيم المجال الكهربائي لكل طبقة في نظام 4-morph ، محسوبة لجهد مطبق يبلغ حوالي 100 V. وقد تم اشتقاق القيم بواسطة Eq. (4).

  تم تطبيق جهد ثنائي القطب على المشغل وتم حساب متوسط ​​القيمة القصوى والسلبية الإيجابية والسلبية. في الشكل 3 ، ينظر إلى أقصى حد من السلك الموصل للأسلاك المتسلسلة إلى زيادة غير خطية مع زيادة الجهد الكهربائي أعلى من 40 V / mm. تظهر العينات التي تم لصقها قبل عملية التلميع والعينات المتجانسة اعتمادًا خطيًا.

   المجال الكهربائي في الطبقة i يعتمد على Uappl الفلطية المطبقة ومعاملات العزل الكهربائي e33 من جميع الطبقات بالطريقة التالية من & gt ؛ متوسط ​​الحد الأقصى للفقد على الجهد المطبق.

  وبخلاف ذلك ، فإن تحديد جميع الهياكل يعتمد على ارتفاع الفولتية بشكل غير خطي على الجهد المطبق.

  وعلاوة على ذلك ، فإن حلقات الانحناء غير متماثلة (الشكل 4).

  يزداد الوتيرة بقوة في اتجاه مجال التلميع. في الاتجاه المعاكس ، تكون عملية الثني أصغر بكثير. هذا التأثير اللاخطي يكون أضعف للعينات المتجانسة والملصوقة التي كانت بالفعل.

  3.2 النتائج التجريبية

  تم تحسين عملية poling للحصول على أفضل خصائص كهرضغطية للطبقات المفردة. تم تطبيق الجهد DC لمدة 5 ثوان. كانت جميع العينات مصقولة في درجة حرارة الغرفة. تم استخدام النظام المتصل بالأسلاك لتحديد معاملات كهرضغطية وعازلة كهربائية متصلة أثناء التلبد.

التين. 2. حلقة العذراء المقاسة والمصممة على شكل S3 (E3) لقلعة متعرجة.

الشكل 3. متوسط ​​قيمة الحد الأقصى للاعتماد على جهد ثنائي القطب مطبق للأنظمة المرصوصة.

Fig.4. حلقات ثني ثنائية القطب من المحركات أحادية النموذج والمشغلات في جهد كهربائي مطبق يبلغ حوالي 100 فولت.

الشكل 5. تفكيك الهياكل النموذجية وأجهزة الانحناء المتجانسة في اعتماد عدد الطبقات عند جهد كهربائي مطبق قدره 30 فولت.

  في الشكل 5 ، تم مقارنة النتائج التجريبية مع النمذجة. استخدمت فقط البيانات التي تم قياسها في الفولتية الصغيرة (30 فولت) ، حيث اختفت الآثار اللاخطية. كانت بيانات السلك الموصل المتلامسة في أفضل اتفاقية مع النمذجة. يمكن أيضًا وصف انحناء العينات المتجانسة بأكثر من طبقتين مع التقريب التحليلي. نحن نفترض أن الاختلافات في الشكل الأحادي المتجانس ترتبط مع الانحناء القوي لهذه العينة بالتلبيد.

  تم الحصول على انخفاض في الهياكل ، والتي تم لصقها لأول مرة قبل أن يتم تلميعها. قد يكون هذا بسبب ضغوط ميكانيكية متعامدة مع الحقل الكهربائي الناجم عن إجهاد إعادة التمدد بعد الشد. نقترح ، أن الإجهاد الميكانيكي الناجم عن تحامل في درجة poling من الطبقات ، وبالتالي فإن كهرضغطية ومعاملات عازلة. العينات المتجانسة هي سيراميك مع انتقال سلس لكمية القصدير بين الطبقات.

  يجب أن يكون الضغط الميكانيكي أقل بكثير في هذه الأجهزة على أساس FGM.2 بالإضافة إلى ذلك ، فإن تأثير الغراء في حين أن poling غير واضح.

  4.Summary

  تم تحضير و لصقل السيراميك المستقلب Ba (Ti، Sn) O3 مع تدرج من كمية القصدير. كان الاستقطاب remanent العلاقات العامة بعد poling أعلى قليلا مما كانت عليه في هياكل النموذج. افترضنا أن هذا كان بسبب الانتقال السلس لكمية القصدير بين الطبقات المتجاورة في السيراميك المتآلف. لقد وجدنا تطابقًا جيدًا مع نتائج النمذجة. على الرغم من أن أقصى قوة كهربائية في الطبقات ذات الاستقطاب العفوي الأعلى (BTS7.5) تكون أقل بكثير أثناء عملية البولن ، فإن الطبقات لها معاملات كبريعات كهروضوئية عالية. تكون عملية ثني المحركات الانحناء خطية تمامًا عند الفولتية الصغيرة للقيادة ويمكن وصفها بتقريب تحليلي. تنتج الفولتية الأعلى في اتجاه الصقل زيادةً متزايدةً في الضعف. وﻣﻊ ذﻟك ، ﯾﻧﺧﻔض ﻋﻣود اﻟﻣﺷﻐل ﻓﻲ اﻟﺣﻘل اﻟﮐﮭرﺑﺎﺋﻲ اﻟﺳﻟﺑﻲ. على الرغم من الاختلافات الطفيفة في العلاقات العامة بين هياكل متجانسة ونموذجية تم العثور على اتساق ممتاز من خصائص الانحناء. أجهزة ثني متجانسة مبنية على تشويه الأعضاء التناسلية الأنثوية ليست أقل شأناً من المشغلات القابلة للمقارنة. بخلاف ذلك ، يكون ثقب الثني بحوالي 0.02 مم / V أقل بكثير من الأجهزة التقليدية ذات الأقطاب الوسطى حيث يتم وضع الطبقات في اتجاه معاكس (0.11 مم / V).