压电晶体及其在液压阀中的应用

　　液压技术的一个重要发展方向是将智能材料(smart materials,包括压电晶体、超磁致伸缩材料等)作为执行器应用到液压元件,特别是液压阀中,利用智能材料的高频响、高能量密度、结构紧凑等优点,来提高液压阀的性能.压电晶体(PZT)是近年来发展起来的一种新型微位移驱动器件,与超磁致伸缩材料相比较,具有响应快、输出力大、功耗低等优点,被广泛应用于航天航空、机械制造等工业领域.压电晶体材料主要表现为压电效应,主要反映晶体弹性性能和介电性能间的耦合关系.当压电晶体在外力作用下发生形变时,晶体内产生电极化的现象称为正压电效应.当将压电晶体置于电场中时,晶体会发生变形,变形大小与电场强度成正比,这种现象称为逆压电效应.国内外学者利用压电晶体的逆压电效应及其特殊特性,正在积极开展压电晶体液压阀的研究工作^[1-2].

　　BaTiO3陶瓷是最早被发现的压电晶体,锆钛酸铅PbZr1-xTixO3(PZT)是目前广泛使用的压电晶体材料.PZT的机电偶合系数、机械品质因素都比BaTiO3高,稳定性优于BaTiO3^[3].

　　PZT压电晶体材料具有如下优点:

　　1)高的频率响应,可达1GHz,是所有智能材料中响应频率最高的;

　　2)输出力大,可达数千牛以上,而电磁驱动器输出力通常在100N左右;

　　3)电压直接驱动,无需线圈来产生磁场;

　　4)位移与电压保持近似的线形关系;

　　5)功耗低,比电磁式驱动器低一个数量级;

　　6)价格低,约为超磁致伸缩材料的1/5;

　　7)体积小、结构紧凑;

　　然而,压电晶体材料也存在如下缺点:

　　1)压电晶体的输出位移是所有智能材料中最小的,其应变约为0.1%;

　　2)需要高电压来驱动,单层压电晶体需要约1.0~2.0kV的电压驱动;

　　3)稳定性受温度影响大;

　　4)由于压电晶体是一种铁电体材料,具有高的磁滞和蠕变现象;

　　5)价格较电磁执行器高许多.

　　本文从压电晶体的特性、类型、关键技术及其在液压阀中的典型应用等方面进行详细论述,以期更好地应用压电执行器.

　　1 位移及力特性^[4-5]

　　图1显示了单层压电晶体在电压下的形变情况^[4],其位移公式为

　　式中: E为电场强度,V/m;d_ij为材料的压电系数,m/V;d₃₃为平行于压电陶瓷极化向量的应变系数,常用来计算压电堆的位移;d₃₁为垂直于压电陶瓷极化向量的应变系数;l₀为陶瓷的长度,m.

　　从式(1)可以看出,压电晶体输出位移与电场强度、压电晶体长度及压电系数有关.一般情况下,压电晶体材料的d_ij为定值,因此通常通过改变电场强度和长度来调节其输出长度.