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为了满足超声压电马达和大功率压电器件等应用领域对压电陶瓷材料综合性能的要求,本论文研究了钡锶锑锰等离子掺杂对锆钛酸铅(PZT)系压电陶瓷的介电、压电性能和体积密度的影响。同时选择了合适的压电陶瓷材料,研制成了超声压电马达。
实验通过差热分析和XRD测试确定了系列配方和MnSb2O6的预烧温度。使用不密封预烧的方法合成了大量的单相MnSb2O6。
实验结果表明:对于Pb0.95Ba0.03Sr0.02(Zr1-yTiy)O3+x wt%MnSb2O6(PBSZTMS)系列配方,在x=1.5、Zr/Ti=52/48附近获得了优越的压电活性:εr≈1547,tgδ≈0.39%,d33≈371pC/N,g33≈28Vm/N。对于Pb0.95Ba0.03Sr0.02(MnSb2O6)x/3(Zr54Ti46)1-xO3(PBSMSZT)系列配方,综合性能较好的组成点出现在x=0.05处:εr≈919,tgδ≈0.35%,d33≈166pC/N,g33≈20Vm/N,平均体积密度为7.76g/cm3,随着x的增加,样品的致密度在一定范围内不断增大;对比PBSZTMS系列配方,发现PBSMSZT系列配方样品的致密度有了明显的提高。对于PbaBabSrc(MnSb2O6)x/3(Zr1-yTiy)1-xO3+z wt%MnSb2O6系列配方,发现Sr2+和Ba2+的共同添加会使样品致密度明显降低,介电常数εr提高,介质损耗tgδ增大,压电常数d33增加;当a=1,b=0,c=0,x=0.03,y=0.48,z=0.76时,获得了综合性能较好的陶瓷材料:εr≈698,tgδ≈0.28%,d33≈200pC/N,g33≈32Vm/N,kp≈0.5,Qm≈979,kt≈0.84,平均体积密度为7.84g/cm3;该压电陶瓷材料兼具高压电活性、高机械强度和低机电损耗,有望应用于大功率压电器件领域。
本论文实验还制作了圆柱型超声压电马达样件,设计了超声压电马达驱动线路和控制线路。解决了线路驱动、90°相移、方向控制、阻抗匹配等问题。通过超声压电马达的运行和调试,成功实现了圆柱型超声压电马达的螺旋进动和方向控制。
通过研究各种掺杂改性的PZT压电陶瓷样品的组成对材料的介电、压电性能和体积密度的影响,对组成与性能的关系进行了探讨,为进一步对基础系统的掺杂改性研究提供了理论和实验的依据。通过超声压电马达的装配与调试,最终获得了性能良好的超声压电马达。