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压电材料:控制“振动”的最佳方式
2021年02月22日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:303
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“振动”是一种自然界中普遍存在的现象,是指一个状态改变的过程,即物体的往复运动。大至宇宙,小至亚原子粒子,无不存在振动,总体可区分为宏观振动(如地震、海啸)和微观振动(基本粒子的热运动、布朗运动)。

人们生活中也离不开振动:心脏的搏动、耳膜和声带的振动,都是人体不可缺少的功能。在工程技术领域中,振动现象也比比皆是:例如,桥梁和建筑物在阵风或地震激励下的振动,飞机和船舶在航行中的振动,机床和刀具在加工时的振动,各种动力机械的振动等等。

机械加工过程中的振动有着诸多危害

不过振动带来的并不总是好处,例如,振动会影响精密仪器设备的功能,降低加工精度和光洁度,加剧构件的疲劳和磨损,从而缩短机器和结构物的使用寿命,振动还可能引起结构的大变形破坏,有的桥梁曾因振动而坍毁;飞机机翼的颤振、机轮的抖振往往造成事故;车船和机舱的振动会劣化乘载条。而且振动产生的噪声更是对环境和人类健康产生了重大危害。因此随着科学技术的发展,人们逐渐意识到若想减少工业上的损失,就必须要削减不利的振动响应,即对“振动”进行控制。

一、振动控制的方式

在振动工程领域中,振动控制可分为主动控制和被动控制两类。被动控制属于反馈控制,结构简单、易于实现,但是对于控制的效果和适应性较差;而主动控制不同,具有控制效果好、环境适应能力强等特点,弥补了被动控制的不足。目前,人们主要利用压电材料对振动进行主动控制。

压电材料指的是具有压电效应的材料。根据材料种类进行分类可分为无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料三种,无机压电材料还可细分为压电晶体和压电陶瓷。

①压电晶体:压电晶体一般指的是压电单晶体,即按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体,由于结构无对称中心而具有压电性,如石英、镓酸锂、锗酸锂等。目前投入使用的压电单晶体主要为非铁电性压电晶体石英,石英晶体具有机械品质因数高、频率温度系数小的特点;其次即为铁电性压电晶体铌酸锂和钽酸锂,它们的机电耦合系数大,且可在高温环境下使用。

②压电陶瓷:压电陶瓷指的是用几种必须原料混合、高温炼制而成,由粉粒间的固相反应和烧结过程得到的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。在上世纪50年代发明的锆钛酸铅(化学式,可简称为PZT)是至今使用最为广泛的压电陶瓷材料。与压电单晶体对比,压电陶瓷的压电性强、介电常数高,加工成的形状也比较多样化,但同时也存在机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差等不足之处,更适用于大功率换能器和宽带滤波器等应用。

压电陶瓷振动传感器

③有机压电材料:有机压电材料又称为压电聚合物,以聚偏氟乙烯为典型代表。这类压电材料的特点是材质柔韧、低密度、低阻抗、高压电电压常数,在压力传感、引燃引爆等领域有所运用。

④复合压电材料:复合压电材料由多种材料复合,兼具无机压电材料和有机压电材料的优势,克服了难以加工成形的不足,更具有密度小、声速低的特点,易和空气、水及生物组织实现声抗阻匹配。除此之外,压电复合材料还具有上述材料未拥有的性能,如无自发极化的压电材料与另外一种材料复合之后可具有热释电效应;普通压电材料与磁滞伸缩材料复合可具有磁电效应等。

二、压电材料在振动主动控制领域中的应用

1.航空航天

智能材料在航空航天领域的应用是非常关键的。以飞机为例,其结构中类似客舱、通讯天线、直升机旋翼这些结构在使用时均会产生振动,振动波动较大时还会对飞机上的精密设备造成一定损伤,因此压电材料对控制航空航天领域中的结构振动来说是非常必要的。压电陶瓷材料具有质量轻、耗能低等特点,被普遍应用于SMS上,是振动控制一个很重要的分支。

2.土木结构工程

在土木结构工程的静变形控制能、噪声控制、安全评定、自适应修复等领域,都存在使用压电材料对其进行控制的例子:如通过采用压电传感器对结构振动引起的振动进行实时监测,并可在线读取工程结构的信息;或者是使用压电堆技术对建筑工程进行主动控制。但对于大型土木结构工程来说,压电材料驱动力小的问题仍然有待解决。

3.机械制造

机械制造领域的振动主动控制研究主要集中在对精密仪器的主动隔振上,其目的是提高机械设备的稳定性。传统机械受其动能影响,设备在使用过程中会存在很大噪音,振动幅度和振动频率更是随着使用时长逐渐增加,降低了机械设备的使用寿命。压电材料可以在机械制造时作为传感器元件,利用压电材料具有的压电效应,根据传感器检测到的外界环境的变化并主动作出反应,以此对机械设备的振动进行主动控制,提高机械设备的工作效率和使用年限。

4.车辆工程

压电材料在车辆工程领域中的应用主要体现在对汽车减振器的改造。目前许多高级汽车在路况不好的地区行驶时仍能保持较小的颠簸幅度,保证车内人员的舒适性,这是由于对车辆减振装置进行了改造。利用压电陶瓷材料的正、逆压电效应和电致伸缩效应,使减振器能够自动识别路况并作出实时调控,将车辆由于路面颠簸不平造成的影响降到最低。

在车辆进行紧急制动或低速行驶时,制动片与汽车转子相摩擦会产生较大振动,并伴有刺耳的噪声,长期以往对制动片的磨损会非常大。可利用压电陶瓷材料在车辆制动器活塞中安装制动器,在原制动器内部提供一种反向振动,中和将对噪音有相当程度的抑制作用。

资料来源:

浅谈压电材料在振动主动控制中的应用,杜洋。

粉体圈 NANA整理


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