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摘要：壓電材料制作成的壓電驅(qū)動器是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，具有響應(yīng)速度快、功耗低 、輸出力大 、無電磁干擾等特點(diǎn)，作為作動器可以彌補(bǔ)電機(jī)作動器不足之處。配合柔性放大機(jī)構(gòu)的體積小、無機(jī)械摩擦、無間隙、運(yùn)動靈敏度和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用在小型飛行器上，特別是小型無人飛行器，由于尺寸小，重量輕，對起落架剎車制動裝置的尺寸和重量有相當(dāng)嚴(yán)格的限制。

關(guān)鍵詞：智能材料;壓電材料;柔性放大機(jī)構(gòu);飛機(jī)剎車系統(tǒng)

一、智能材料概述

智能材料也成靈巧材料，指能感知外部刺激及對所感知的外部刺激做出反應(yīng)能力的功能材料。主要分為兩大類：1、感知外界刺激（應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等），應(yīng)用在傳感器領(lǐng)域，材料主要有光導(dǎo)纖維、壓電材料、形狀記憶合金等傳感材料;2、對外界刺激做出響應(yīng)或驅(qū)動的材料（溫度、電場、磁場改變其形狀、尺寸、剛度、振動頻率、阻尼、內(nèi)耗及其他機(jī)械性能），應(yīng)用在驅(qū)動器領(lǐng)域，材料主要有形狀記憶合金、壓電材料、電/磁致伸縮材料、電/磁流變材料和功能凝膠等。本文主要談?wù)撝悄懿牧现械膲弘姴牧献鳛轵?qū)動器在飛機(jī)剎車領(lǐng)域的應(yīng)用，后文也就主要分析壓電材料作為驅(qū)動器的各種性能參數(shù)。

二、壓電材料介紹

2.1壓電材料的發(fā)展歷程

壓電材料是一種非常重要的功能性材料，它的研制已經(jīng)有100多年的歷史

1880年，Jacques Curie和Pierre Curie 兄弟在石英晶體上首次發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，在應(yīng)用上沒有引起人們的重視.

第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，推動了壓電晶體在應(yīng)用方面的快速發(fā)展。 1916年，朗之萬發(fā)明了石英晶體聲換能器;1918年，Cady 研究了羅息鹽壓電晶體在諧振頻率附近的機(jī)電耦合性能;1921年又發(fā)展了石英晶體諧振器，隨后，壓電晶體作為頻率控制、濾波器、晶振等電聲器件廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域;

2.2壓電材料的物理、力學(xué)性能

壓電驅(qū)動器的主要驅(qū)動方式為沿厚度方向的振動收縮和沿長度方向的振動收縮，力學(xué)模型也就以沿厚度方向和沿長度方向振動建立，基于壓電陶瓷的縱向逆壓電效應(yīng)和橫向逆壓電效應(yīng)。

常用的有與極化方向平行的d 33效應(yīng)和與極化方向垂直的d 31效應(yīng)，前者使壓電材料產(chǎn)生沿厚度方向的伸縮變形，后者使壓電材料產(chǎn)生沿長度方向的伸縮變形。d 33效應(yīng)通常用于提供大驅(qū)動力和大位移的壓電疊堆。

壓電材料的特點(diǎn)是在通電狀態(tài)下可以得到連續(xù)的變形量，控制精度高，在微小電壓驅(qū)動下可以達(dá)到納米級的位移輸出分辨率;具有很高的頻率特性。壓電驅(qū)動器不產(chǎn)生磁場，也不受磁場干擾，工作過程穩(wěn)定。同時還具有噪聲小、發(fā)熱小、低能耗等特點(diǎn)。

三、柔性放大機(jī)構(gòu)

3.1微位移

微位移驅(qū)動方式主要包括熱變形驅(qū)動、彈性變形驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動和壓電疊堆驅(qū)動等。常用的微位移放大機(jī)構(gòu)主要有杠桿式微位移機(jī)構(gòu)、橋式微位移機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最廣的微位移機(jī)構(gòu)是由單軸柔性鉸鏈構(gòu)成的多桿柔性機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)借由對稱分布柔性鉸鏈的彎曲變形獲得相應(yīng)放大的位移輸出，從而給予并拓展微位移放大機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍。具有體積小、無機(jī)械摩擦、無間隙、運(yùn)動靈敏度和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)

3.2影響放大機(jī)構(gòu)位移輸出的因素

下面就以應(yīng)用最多的正圓形柔性鉸鏈說明影響放大機(jī)構(gòu)位移輸出的因素：

放大機(jī)構(gòu)本身的材料特性、結(jié)構(gòu)尺寸、采用的放大原理對放大倍數(shù)有影響

放大結(jié)構(gòu)形式的影響：就橋式放大而言，橋臂角、柔性鉸鏈形式都會影響位移的輸出

如果采用正圓形柔性鉸鏈形式，鉸鏈的間距、寬度、厚度以及圓弧半徑、位置也會影響位移的輸出.

3.3放大機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度要求

壓電陶瓷剛度和輸出力是有限的，所以放大機(jī)構(gòu)的剛度不能設(shè)計(jì)得過大，否則無法被陶瓷驅(qū)動。因此，實(shí)際應(yīng)用中，放大機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)剛度要根據(jù)所選擇的壓電陶瓷的驅(qū)動能力和機(jī)構(gòu)的負(fù)載性能綜合考慮后取一個折中的設(shè)計(jì)值

機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性與柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動剛度影響著機(jī)構(gòu)輸出性能

四、壓電驅(qū)動柔性放大機(jī)構(gòu)在飛機(jī)剎車領(lǐng)域應(yīng)用的探索

根據(jù)對壓電材料和柔性放大機(jī)構(gòu)特性和原理的深入了解，針對機(jī)電作動機(jī)構(gòu)的容納空間小、尺寸、重量有嚴(yán)格限制的小型飛行器，提出一種新的剎車裝置，即給壓電疊堆加電信號后的產(chǎn)生微位移，利用柔性放大機(jī)構(gòu)將為微位移放大后，產(chǎn)生符合要求的輸出位移和輸出力壓緊剎車片從而產(chǎn)生剎車力剎停飛機(jī)。但是要實(shí)現(xiàn)這個機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，有兩個難題必須要解決：

剎車過程中因摩擦剎車裝置中的熱庫組件會產(chǎn)生大量的熱，溫度最高可達(dá)400℃，因此對壓電材料和柔性放大機(jī)構(gòu)的性能就提出了更高的要求，尤其是壓電材料，當(dāng)使用環(huán)境的溫度達(dá)到居里溫度以上時，材料完全就失去了極化性能，安全的使用溫度一般都在居里溫度一般以下。鈣鈦礦型 （BiScO3 -PbTiO3 ）高溫壓電陶瓷，鎢青銅結(jié)構(gòu)壓電陶瓷和鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的居里溫度都可以達(dá)到800℃以上，可以滿足剎車環(huán)境中該材料對溫度的需求。

一般飛機(jī)的剎車間隙為2.5---3.5毫米，要實(shí)現(xiàn)將飛機(jī)剎停這一動作，壓緊機(jī)構(gòu)的位移也應(yīng)該達(dá)到2.5---3.5毫米。但是壓電材料加電信號后產(chǎn)生的位移都是微米級，完全滿足不了需求，就是配合柔性放大機(jī)構(gòu)使用，也因?yàn)槿嵝苑糯髾C(jī)構(gòu)因自身各種特性位移放大倍數(shù)有限，因此尋找合適結(jié)構(gòu)、材料、形狀的柔性放大機(jī)構(gòu)很關(guān)鍵。

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