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高速开关阀压电驱动器的性能研究 金国庆1,方昌林2 江苏大学,江苏镇江212013 摘要压电式高速开关阀相对广泛应用的电磁铁式高速开关阀具有响应更快的特点,但其可靠性一直是使其不能广泛应用的 重要因素。本文讨论分析了高速开关阀关键部件-压电驱动器的可靠性问题,从压电陶瓷的电疲劳,驱动器本身设计,到高速开 关阀的驱动电源,从内到外地分析了影响驱动器的可靠性问题,并提出了相应解决办法。 关键字可靠性;电疲劳;粘结;驱动电源 中图分类号 TH13752; TN384 文献标识码 A 文章编号 1001 - 3881 2003 3 - 213 - 3 0 前言 高速开关阀由于其具有响应速度快,抗污染能力 强、与电子电路配合好等特点而被广泛应用于汽车以 及各种各样的液压系统中。驱动器是高速开关阀中的 关键性部件,对驱动器的研究,也就理所当然成为国 内外专家学者追逐的热点。目前高速开关阀驱动器有 多种形式,主要包括电磁铁式、力矩马达式和压电 晶体式。虽然电磁铁式高速开关阀目前应用最为广 泛,但要产生较大的吸力需要较大的安匝数,容易导 致电磁阀发热,结构复杂,体积较大[1],而且电场下 电磁阀的回滞等因素影响,电磁阀的响应速度难以进 一步提高;力矩马达式开关阀虽然响应速度较高,但 结构复杂,加工困难;压电晶体式开关阀具有响应速 度极快,功耗少,体积小等特点而被广泛研究,在国 外已经大量用于柴油机电控燃油喷射系统。多层压电 驱动器因驱动电压低,能量密度高,响应速度块,使 用寿命长,而在实际中应用广泛。 由于众所周知的压电材料在驱动电场下的非线 性,驱动器的可靠性就显得极为重要。本文首先从驱 动器的微观结构出发,讨论分析了压电陶瓷的电疲劳 特性,以及影响压电陶瓷电疲劳的各种因素,再从驱 动器装置本身设计的可靠性、驱动器与金属体的粘结 和驱动技术出发,从宏观上分析了影响驱动器可靠性 的因素,并提出了一些应采取的措施。 1 压电陶瓷电疲劳 在柴油机燃油喷射系统、减振系统以及其它液压 系统中,高速开关阀压电陶瓷驱动器往往要求在大应 变和循环交变电场下工作,而压电陶瓷易出现电疲 劳,电性能下降,影响驱动器正常工作。以往的研究 证明,压电陶瓷的电疲劳是不可避免的,而且成为压 电陶瓷驱动器应用的主要障碍,也是驱动器可靠性和 耐久性设计的首要考虑因素。 1压电陶瓷电疲劳现象 压电陶瓷的电疲劳是指在交变电场循环作用下, 压电陶瓷电性能下降,表现在电滞回线上则是剩余极 化强度Pr和饱和极化强度Ps下降,通常伴随矫顽电 场Ec的增大。McQuarries报道了BaTiO3陶瓷在60Hz 交变电场作用下,经几周后,其电滞回线从矩形变成 螺旋桨叶形,Pr和Ps都有明显降低,Merz和Ander2 son在单晶BaTiO3中也观察到类似的现象。压电陶瓷 在大交变电场循环作用下,其内部畴壁运动,引起大 位移,同时材料内部结构、电场和机械应力分布等发 生改变,影响压电陶瓷电性能。Takennobu SAK AI发现 PZT陶瓷在108次循环后,机电耦合系数kp从初始约 0.65下降至0.5,但是相对介电常数ε T 33/ε0变化不 大。A. Levstik报道PLZT陶瓷在2104次循环后, Pr、复介电常数ε33、复压电常数d33及机电耦合系数 K31开始下降,EC只有少许变化;而复弹性柔顺系数 s11、电致伸缩系数Q12、电品质因数Qe、机械品质因 数Qm和机电品质因数Qme与循环次数无关。实验观 察还表明,在电疲劳试样中,常有分散的微裂纹存 在[2]。 2压电陶瓷电疲劳影响因素 对于影响压电陶瓷电疲劳的因素,国内外多有研 究,但是也得出了不少相互矛盾的结论,综合以往的 研究结果,认为以下因素对压电陶瓷的电疲劳有影 响。 ①电场强度E。电场强度是影响压电陶瓷电疲劳 的关键因素。一般认为,当EEc时,电疲劳明显,电性能下降 很快。测试了PMN - PZT压电陶瓷 E c 11. 0kV/ cm在不同电场强度下的电疲劳曲线,当E 3. 0kV 时,试样经109次循环电性能下降不明显;而当E 16. 0kV时,试样的电性能在106次循环后明显下降。 近年来的研究表明,电场对陶瓷体内裂纹扩展有显著 影响。Cao和Evans用V氏压痕技术在压电陶瓷上预 制裂纹,并研究了循环电场对微裂纹扩展的影响,发 现当E≥1.1EC时,裂纹持续扩展,随后达到稳定扩 展状态;而当E 0.9Ec时,裂纹仅有少量扩展约 50μm。但最近Ting等提出不同观点,认为即使在E Ec情况下,由于应力集中,裂纹尖端电场仍有可能 超过Ec,促使裂纹扩展。 ② 疲劳电源。Merz和Anderson报道了正弦波和脉 冲波电源对于BaTiO3单晶的疲劳特性有影响。而Tay2 312机床与液压20031No13 lor则发现当交变电场波形从正弦波变成脉冲波时, Pb Zr , Sn , Ti O3陶瓷的疲劳特性基本没有变化, Stew2 art和Cosentino也有类似的结论。初步实验发现,在低 频50Hz电场作用下,三角波和正弦波对PWN - PZT陶瓷电疲劳影响不大,而在高频1000Hz电场 下,三角波比正弦波更易造成电疲劳。 ③ 陶瓷成分。陶瓷的合成成分变化是稳定温度和 感应应变应力的重要问题。Hitachi Metal使用Sb2O3 doped Pb , SrZr , Ti O3陶瓷研制出在150。C下 使用的多层压电驱动器。单轴应力的系统数据已在各 种PZT材料上收集。陶瓷的颗粒和多孔性控制在控制 驱动器的可重性方面很重要。 Taylor研究了24种不同成分的掺铌Pb Zr , Sn , Ti O3陶瓷的电疲劳行为,认为疲劳速率取决于成 分。不同成分的陶瓷,其晶体结构不同,电疲劳特性 差异很大。Q.Y. Jiang等认为,与铁电正方相和正交 相相比,菱方相在极化反转过程中产生的内应力要小 得多,因而疲劳寿命更长;而反铁电相在高电场下向 铁电相转变时,仅发生180。畴反转,产生的内应力 远小于铁电相中90。畴反转产生的内应力,因此反铁 电陶瓷的疲劳寿命也较长。另外铁电正交相组成的 PLZT陶瓷,极化时发生场致相变,导致大内应变波动 和内应力。 电疲劳较严重时,温度对于压电陶瓷电疲劳也有 显著的影响。当T高于Tm介电常数最大值所对应的 温度时,陶瓷处在顺电相,自发极化和畴消失,基 本上没有疲劳;而当T低于Tm时,电疲劳较明显, 疲劳速率与畴反转的难易有关。 值得注意的是, Pb0. 905La0. 095 Zn 0. 65Ti0. 350. 97625O3 组成的PLZT陶瓷在低温时的疲劳性能比在室温时要 好。White的研究表明,温度对裂纹扩展有显著影响。 在交变电场循环作用下, PZT陶瓷棒由于内耗而温度 升高,当PZT棒的温度限制在80。C时,裂纹几乎不 扩展,当不限制升温后,棒温度上升很快,在100。C 时突然断裂。另外一组实验则发现,若PZT棒温度限 制在200。C ,则裂纹持续扩展。 ④ 微观结构。压电陶瓷在制备过程中存在的气孔 和空位等缺陷对电疲劳有影响,气孔或缺陷易俘获空 间电荷,提供畴夹持的条件;另一方面易造成应力集 中,引起畴重取向或诱发微裂纹,甚至有可能导致局 部介电击穿。Q.Y. Jiang报道,低密度PLZT陶瓷 相对密度93 ～97 在104次循环后疲劳,而热压 高密度PLZT陶瓷相对密度99 经109次循环仍未 疲劳。 2 驱动器装置本身设计的可靠性 设备的设计极大的影响耐用性和使用寿命。高湿 度大电场下银电极金属倾向于渗入压电陶瓷中,但 银钯合金能有效地抑制这种现象,有耐力的被覆材 料也应引起重视。为克服电极脱层,可使用网眼形电 极或混合金属与陶瓷粉末矩阵合成物的电极材 料。应用半导体过氧化物钡钛基PTCR的纯陶瓷电 极材料也研制出来。Nagata et al研究了不同温度和不 同湿度下,多层驱动器在直流电或单极交流电场下的 寿命特征。寿命的对数和温度的倒数之间的关系呈线 性关系与心律失常曲线相似。然而,退化机制还 仍然是一大问题[3]。 在多层驱动器中,减小传统电极配置中围绕内电 极边缘的应力集中是一中心问题。依据多层陶瓷驱动 器的破坏机制,系统的数据和分析已取得相当的成 绩。在传统交叉指型多层装置中,有两个典型的裂开 类型一个是位于内电极边缘的Y形裂缝,另一是与 非活动的连接一对内电极的顶层或底层紧邻层中的垂 直裂纹。 为克服裂纹问题,提出三种电极配置方法[3],如 下图所示板片直达型、交叉指型-狭长切口、交叉 指-漂流型。’漂流电极’型是一很有前景的设计方法, 因为用传统作多层驱动器的方法就可以设计,而且使 用寿命长。还有一很吸引人的经验法层越薄,设计 的设备越坚硬,这法则也会在不久的将来得以深入研 究[3]。 另外通过寿命预测和破坏检测期望可以显著提高 多层驱动器的可靠性。声放射和表面潜在性监控是较 有希望的方法。Penn State研发了一多层驱动器,其包 含一应变测量器并以之作为内电极。这种内应变测量 电极能敏锐地检测到初始裂纹并监控场致应变。 3 压电陶瓷驱动器的粘结 在压电陶瓷驱动器中,人们往往忽视粘结层的影 响,认为压电陶瓷与金属基体的连接为刚性连接。事 实上,陶瓷与金属基体之间的粘结层的缺陷是导致整 个驱动器性能不稳或下降的很重要的因素。 因为压电陶瓷的介电常数远远大于粘结剂的介电 常数,粘结层的介电性能将使得压电陶瓷片上所能获 得的激励电压大大的下降,如对应于相对介电常数为 3厚度为2μm的粘结层,加到压电陶瓷上的激励电压 412机床与液压20031No13 仅有53. 2 。研究表明,高介电常数的薄胶层能够 减少激励电压的损失,同时也可以降低介电能量损 耗[4]。 如果金属体与压电陶瓷在粘结过程中,表面处理 不当,涂胶不均,加压不正确,则会使粘结层产生缺 陷或者存在气泡,使压电陶瓷与金属体在某些局部上 没有能够粘结在一起。非粘结处的压电陶瓷在高压激 励下产生大变形,会产生断裂现象。产生缺胶的原因 多为在清洗多余胶粘剂的过程中,使用了过多的清洗 液,去除了外缘的部分粘结层,导致缺胶。 大多数的胶粘剂的粘结强度都随粘结层厚度的增 加而降低。因而,在保证不缺胶的前提下,粘结层的 厚度应尽量薄一些,通常可以获得最大的粘结强度和 最佳的激励效果。粘结层的厚度必须同粘结层的表面 粗糙度相配合。粘结层材料选择时,环氧胶体系中的 环氧酚醛,环氧聚硫等能够提高胶层的抗剥离强度, 对压电陶瓷而言,有更好的粘结效果。粘结时,缺胶 和气泡会引起应力集中,导致胶层破坏。因而为改善 粘结性能及避免缺陷,多采用先涂底胶,多余胶粘剂 机械刮削,加压高温固化等工艺。另外,真空加温固 化往往能获得更佳的粘结效果。 4 驱动器驱动电源 1压电陶瓷的使用离不开相应的驱动电源,由 于压电陶瓷的广泛应用,其驱动电源技术也变得越来 越重要。对外加电压而言,压电陶瓷相当于电容性负 载。压电陶瓷的电容C比较大,它与驱动电路的输出 电阻构成RC回路,将影响压电陶瓷的动态特性。目 前,国内的压电器件应用主要局限于静态性能,相应 的,驱动电源的研究也主要面向静态应用;对于PZT 的动态应用,电容问题成为一个难点。然而,在实际 应用中有时需要压电陶瓷按一定规律周期性的动态伸 缩,这对于驱动电源的动态性能提出了更高的要求。 为此,需要研究适合PZT动态应用的新型驱动电源。 由于PZT材料的介电常数较大,所以压电陶瓷的 电容量一般也比较大,通常达到微法级。在动态应用 时,其驱动电源应具有如下特点[5] ① 输出电阻小.只有降低驱动电源的输出电阻 R,才能使R与PZT的电容C所构成的RC回路的时 间常数降低,从而提高系统的动态性能; ② 能把输入信号线性放大,不失真,波动幅度 小,使输出波形能很好的跟随输入波形; ③ 驱动电源的输出幅度连续可调。 2对陶瓷驱动器的驱动技术,脉冲控制和交流 电控制应引起注意。迅速升高的阶/脉冲电压引起振 动过头,并引起大的作用力,导致多层驱动器结构的 脱层;长时间应用交流电还产生不可忽视的热量。应 用机械偏应力的特殊的脉冲驱动技术可解决第一个问 题,第二个问题的解决可通过改善设计的结构。多层 驱动器热产生机制的分析途径已有所报道,强调了大 表面的重要性。压电陶瓷大电场下热产生主要是由于 P -E滞后引起的损失[3]。 5 结束语 综上所述,影响高速开关阀压电驱动器可靠性的 因素主要有外加电场下陶瓷的电疲劳主要与电场 强度、电源波形、陶瓷成分、工作温度有关 , 这可 通过合理配置电场与驱动波形,采用菱方相或反铁电 相陶瓷材料,选取大于Tm的工作温度T来加以减弱; 驱动器本身设计电极配置 ; 压电陶瓷与金属体的 粘结,以及驱动电源。对于叠堆式压电陶瓷驱动器, 单片的厚度应尽可能薄,与金属体粘结时,采用环氧 胶体系中的环氧酚醛、环氧聚硫等材料,可以提高胶 层的抗剥离强度,在保证不缺胶的前提下,粘结层也 要尽可能薄。应用机械偏应力及特殊的脉冲驱动技术 可避免多层驱动器脱层。 参考文献 【1】温任林,邱晓寒 1 压电陶瓷阀特性的研究 1 工业仪表与自 动化装置, 2000 4 【2】刘海峰,谢 军 1 压电陶瓷电疲劳研究进展 1 宇航材料工 艺, 2000 6 【3】Kenji Uchino. New trend in multiplayer ceramic actuators. Di2 electric Ceramic Materials 【4】石 斌,胡敏强,朱壮瑞 1 粘结层对超声马达定子振动特 性的影响 1 中国电机工程学报, 2001 7 【5】尹德芹,颜国正,颜德田,林良明 1 压电陶瓷动态应用的 新型驱动电源研究 1 压电与声光, 2000 2 作者简介金国庆1977 - ,男,河北唐山人,江苏大 学硕士研究生,主要研究应用于电液控制系统中的高速开关 阀。 收稿时间 2002 - 06 - 21 美发明激光消尘器 美国发明了一种独特的激光消尘器。它能消除机 床设备和雕塑制品上的粉尘而不损坏物件本身表面。 它除尘面积可达200m2。它带有用微处理机控制 的高速扫描器,能自寻找周围的粉尘,一旦发现粉尘 即发出红外线,在一瞬间可将粉尘烧尽。 胡正隆 512机床与液压20031No13