【摘 要】
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高效、精密、柔性及自动化是机械制造的发展方向。微位移驱动器技术是精密加工的关键技术,一直是各国机械制造领域的研究重点。当前精密加工所用压电驱动器的原材料均为锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷,其含铅量高达60%,无铅压电陶瓷制备及其微位移驱动器开发已成为微位移驱动技术的研究热点。然而,无铅压电陶瓷固有的迟滞非线性较大,当前主要采用机械控制的方式对其进行补偿。为了从根源上提高微位移驱动器的精度,本论文从调控
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高效、精密、柔性及自动化是机械制造的发展方向。微位移驱动器技术是精密加工的关键技术,一直是各国机械制造领域的研究重点。当前精密加工所用压电驱动器的原材料均为锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷,其含铅量高达60%,无铅压电陶瓷制备及其微位移驱动器开发已成为微位移驱动技术的研究热点。然而,无铅压电陶瓷固有的迟滞非线性较大,当前主要采用机械控制的方式对其进行补偿。为了从根源上提高微位移驱动器的精度,本论文从调控材料微观结构出发,采用理论分析、数值计算、有限元仿真和实验验证的方法研究了KNN基无铅压电陶瓷的相结构与迟滞非线性的关系、磨削力对KNN基陶瓷微观结构的调控作用、磨削残余应力对材料压电性能和机械性能的影响规律等。主要内容、结果和创新如下:（1）研究了材料组分和烧结温度对相结构的影响规律,通过R-T相界的构建提高了陶瓷的压电性能。采用传统固相反应法制备了（1-x）(K0.48Na0.52)（Nb1-y Sby）O3-x Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5Zr O3（KNNS-BNKZ）系列压电陶瓷,通过电负性较大、半径较小的Bi3+离子取代A位K+、Na+离子,半径较大的Zr4+离子取代B位Nb5+、Sb5+离子,构建出菱形相和四方相共存（R-T）的多晶型相界（PPB）。当y=0.04,x=0.0375,烧结温度在1140℃时,陶瓷压电常数达到最大值(d33=198p C/N),比1160℃烧结的R相陶瓷(d33=150p C/N)提高32%。（2）研究了相结构对陶瓷迟滞非线性的影响规律,提出了通过构建多晶型相界改善材料迟滞非线性的方法。分析了样品的晶相结构,测试了电滞回线、蝴蝶应变曲线和位移电压数据,对位移电压数据进行回归分析,建立了迟滞模型。研究发现R-T多晶型相结构的陶瓷由于各相异性能小,其电畴偏转容易,剩余极化强度（Pr）大而矫顽场强（Ec）小,在施加直流电压后,其应变较大且线性度良好,迟滞比R相的陶瓷降低31.4%。表明通过R-T PPB的构建能降低材料迟滞非线性,从根本上提高驱动器的精度。（3）研究了磨削工艺参数对KNN基压电陶瓷相结构的影响规律,发现了磨削力具有调控材料微观结构并改善迟滞非线性的效果。通过控制磨削参数,实现了陶瓷的塑性磨削,研究了磨削前后陶瓷相结构和迟滞非线性的变化。实验结果表明:磨削力导致了压电陶瓷中部分四方相（T）转变成正交相（O）,陶瓷由原来的R-T两相共存转变成R-O-T三相共存,由于自发极化方向由14个增加到26个,电畴旋转更加容易,理论上陶瓷迟滞非线性将进一步降低。（4）研究了磨削残余应力对KNN基陶瓷性能的影响规律,提出了主动利用磨削副作用即残余压应力提高陶瓷压电性能和机械性能的方法。研究了陶瓷磨削前后机械和压电性能的变化,发现磨削后密度增加,Ec变小而Pr变大,压电常数由198p C/N增加到275p C/N,最大应变达到0.13%,且线性度得到提高。基于热力学原理推导出压电性能与残余压应力的关系式,从理论上证明了残余压应力有利于提高陶瓷的压电性能。分析了磨削压应力对陶瓷断裂韧性和强度的影响规律。研究表明,磨削残余压应力能提高KNN基陶瓷的压电性能、断裂韧性和机械强度,这将有利于加大驱动器位移并提高驱动器的可靠性与使用寿命。（5）制作了KNN基陶瓷粘结叠层驱动器,研究了其输出位移和力学特性。采用13片磨削至0.5mm厚的陶瓷片制作了粘结叠层驱动器,对驱动器输入输出特性进行了有限元仿真和实验研究。在200V直流电压下,仿真位移达到0.76μm,实验位移0.73μm。在位移为0时最大输出力达到720N。建立了位移电压关系回归方程,相关性系数R2高达0.9903。
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