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我国压电器件、磁电材料研究获得重要进展 一． 高温微型压电马达 传统的电磁线圈马达利用电磁感应产生驱动力，一般工作温度不超过120?C。但在许多场合，需要可在高温条件下工作的驱动器，如内燃机油阀、某些化工中的高温气阀、以及其它需要在高温环境下操作的精密电控执行器等。北京大学工学院董蜀湘教授课题组在国家基金委项目资助下，最近发展了基于锰掺杂钪酸铋-钛酸铅（BiScO3-pbTiO3）压电陶瓷材料的高温压电超声直线微马达样机，尺寸仅为6.35x4.7x2.0mm3。在所设定尺寸下，该马达一阶线性共振频率和二阶弯曲共振频率非常接近，约100kHz。因此，该马达采用L1-B2驱动模式。因压电陶瓷材料的居里温度很高 与传统的电磁马达相比，锰掺杂钪酸铋-钛酸铅压电陶瓷马达具有体积小、驱动力大、运动速度快，以及高的热稳定性等特点。该压电微马达在汽车、航天、能源、化工、以及精密制造等领域具有潜在的应用前景。 二． 高温压电驱动器 针对某些特殊环境下的高温应用，最近北京大学工学院董蜀湘教授课题组在国家基金委项目资助下，研发出可在250?C高温下工作、具有微纳米分辨率的压电驱动器。这一研究成果已发表在国际权威刊物美国应用物理快报（Applied Physics Letters，101(1)，2012）刊物上，论文第一作者是课题组陈建国博士后。 该压电驱动器为单片环形结构，工作在轴对称剪切-弯变驱动机理—这是该课题组提出的独特工作机理。压电驱动器由高性能BiScO3-pbTiO3（钪酸铋-钛酸铅）高温压电陶瓷材料制成。压电驱动器在电场激励下产生的位移一般非常微小。为了获得大的位移量，压电驱动器一般使用环氧树脂等粘结剂制备成双层结构，或通过共烧制备成多层结构。但在高温下会出现层间滑动问题。该驱动器采用单片结构，未使用环氧树脂等粘结剂，因此不用考虑粘结剂的耐高温程度。测试结果表明，在外加电压下，该驱动器中心产生的剪切-弯变位移是同样尺寸压电圆片位移的11-14倍。 而且该驱动器能够在高达250?C的高温环境下稳定工作，从而解决了目前传统压电驱动器在高温苛刻环境下不能稳定工作的难题。 研制的高温压电驱动器有望在微型燃油阀、气体阀，以及其它需要在高温环境中作为精密执行器等领域获得应用。 图2 高温压电驱动器 三 用于驱动光学器件的压电单晶微驱动器 由于智能照相手机、超微型数码相机越来越普及，对于可执行光学镜头聚焦、变焦的超微型驱动器的需求就变得越来越迫切。北京大学工学院董蜀湘教授课题组在国家基金委项目资助下，研发出尺寸仅为1.5?1.5?5mm3，重量仅0.1g的压电单晶超声微驱动器。该驱动器主要用于微光学器件聚焦、变焦的精密执行器。研究成果发表在美国电子工程师系列刊物（IEEE UFFC，58(12)，2011），文章第一作者是课题组郭明森博士后。郭博士目前在南京航空航天大学任副教授。 该驱动器采用PIN-PMN-PT单晶压电材料制成。驱动器工作在一阶弯曲驱动模式，将本身的高频微观位移（亚微米振动幅度）转换成宏观的线性位移。测试结果表明，该压电单晶驱动器可产生26 mN/mm3的单位体积驱动力，同时可驱动一滑块以50mm/s的速度运动。这个结果是可比尺寸音圈马达驱动力的110倍。即使和压电陶瓷超声马达相比，也要高出4倍。 该压电单晶驱动器可以应用于需要在微小空间产生高输出力、高精度、快速响应的精密运动执行器，这包括微型光学及成像仪器、医用内窥镜，以及下一代光驱中。 图3 压电单晶微型马达 四 具有强磁-电耦合功能的压电、铁磁复合材料 多物理场耦合的研究在物理、材料科学、电子器件等领域一直很受重视。近年来，磁电效应因其作为新型功能器件的潜在应用前景，各国科学家一直在寻找新的铁磁、铁电复合材料，期望获得更强的磁-电耦合能力。国内在磁电复合材料研究领域一直非常活跃。最近，北京大学工学院董蜀湘教授课题组在国家基金委和973项目资助下，发展了一种改进型的悬臂梁式磁电复合材料，该结构由一个压电纤维-磷铜片复合悬臂梁，以及复合在悬臂梁自由端的铷铁硼磁铁而组成。改进的结构大大增强了系统的磁电耦合系数，同时伴随有大的磁致弯曲振动效应。该研究成果论文已被国际权威刊物美国应用物理快报（Applied Physics Letters）刊物接收，论文第一作者是课题组刘国希博士研究生。 这种改进型的悬臂梁式磁电复合材料，其工作原理是基于磁力偶-悬臂梁弯应变-压电耦合机理，即利用外磁场作用在磁铁上产生一对磁力偶，磁力偶再通过弹性悬臂梁的弯应变迫使复合在悬臂梁上的压电纤维弯曲而实现超强的力-磁-电耦合效应。实验结果显示，这种磁电复合结构工作在一阶弯曲谐振频率5Hz情况下，其磁-电耦合系数可高达1600V/cm-Oe，这比目前已有的磁电复合材料高出10倍左右。实验还发现这种悬臂梁式磁电复合结构，在磁场激励下可产生强的弯曲振动，这种磁致弯曲振动效应可应用于磁场遥控执行某些操作功能。 基于磁力偶-弯应变-压电的磁电耦合机理，显著改进了磁电复合材料的低频率磁响应，为发展下一代高灵敏度低频率磁传感器、磁遥控执行器、新型智能电子器件带来希望。 图4 悬臂梁式磁电复合材料 |
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