高温压电微马达研究

高温环境下的实时动态控制在许多动力工程技术和能源领域具有重要意义。比如为了提高燃烧效率和减少污染，一般燃烧发动机、喷气发动机、燃气发电机、高温燃料电池等均需要一种可在高温环境下实现实时、动态（快速）和精密控制节流和导流的特种驱动器。传统的电磁马达，包括最近发展起来的超声电机，其工作温度一般不超过175 C。如何实现电机与驱动器在高温环境下(300-800 C)工作，可以说是一项世界性的挑战。最近铋层状结构、碱金属铌酸盐和AlN薄膜等高温压电陶瓷的发展，已为突破这一挑战提供了条件。本项目将探索各种高温压电陶瓷与单晶材料用于高温压电马达的可能性，并发展出至少一种高温微马达样机。研究内容包括：（1）高温压电微马达的制备科学，（2）压电材料在高温环境下的谐振特性、损耗特性，（3）高温压电微马达理论模型和设计方法，（4）压电马达和摩擦材料的高温特性。本课题目标是突破目前电磁电动机最高工作温度极限。

针对高温压电器件的应用，我们系统研究了高温压电陶瓷BiScO3-PbTiO3及其软、硬性掺杂改性。针对高温压电驱动器应用，发展了两种掺杂改性高温压电材料：（1）0.05Pb(Cd1/3Nb2/3)O3-(0.95-x)BiScO3-xPbTiO3 (PCN-BS-PT)，（2） 0.05Pb(Sn1/3Nb2/3) O3-(0.95-x)BiScO3-xPbTiO3 (PSN-BS-PT)，在准同型相界MPB组分，其压电系数d33分别达到505 pC/N和550 pC/N，而其居里温度仍然高于400℃。这一结果属于目前最好水平。针对高温压电马达应用，尝试了Mn掺杂BS-PT硬性高温压电陶瓷，当Mn含量达到4 mol%时，0.36BiScO3-0.64PbTiO3+Mn陶瓷的压电常数d33、介电损耗tan δ、平面机电耦合系数kp、厚度机电耦合系数kt、纵向机电耦合系数k33以及机械品质因数Qm分别可以达到254 pC/N, 0.0096, 0.476, 0.494, 0.666 和210。改性后，Qm增加了7倍。提出了改性的硬性高温压电陶瓷：0.03Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-(1-x)BiScO3-xPbTiO3（PMN-BS-PT），当x = 0.62时，其压电常数、机械品质因数和居里温度分别为289 pC/N、320和445℃，其综合性能明显优于美国宾州大学报道的Mn掺杂BS-PT陶瓷。.在高温压电材料的基础上，我们用软性陶瓷制作了数种高温驱动器，用硬性陶瓷制作了高温压电微马达。制备了改进的多层高温压电驱动器，提出了切弯模式和单片叉指d33模式二种新型高温压电驱动器。实验结果表明它们均能在200℃正常稳定地工作，且长方片叉指d33模式驱动器的工作温度可达到380℃，远高于传统电磁驱动器的工作温度。发展了B1-B1新工作模式方块结构高温压电直线马达。实验发现B1-B1模式压电马达，可改善了传统L1-B2马达所存在的模式分裂问题。测试表明直到150℃，B1-B1模式马达工作性能保持稳定。150-200℃马达性能虽然开始下降，但仍然可以有效工作。当驱动电压为100 Vp-p、测试温度为200℃时，马达的空载速度、最大效率和负载分别为150 mm/s、1.5%和30 g。B1-B1模式的设计显著拓宽了压电马达的工作温度范围。