之前文章我们介绍了压电陶瓷形变量的计算,主要公式如下:
公式一:
公式二:
今天我们主要介绍:在不同负载力条件下压电陶瓷的形变量。
无外部负载力 (F=0)
压电陶瓷无外部负载力的条件下,形变量取决于压电陶瓷的长度、所采用的压电材料以及电场强度。
举例:芯明天叠堆共烧型压电陶瓷材料参数如下:
压电陶瓷单层厚度为100μm,操作电压为150V,电场强度为E=1.5kV/mm,无外部负载力,形变量为15μm。
恒定外部负载力(F=恒定量)
对于恒定的负载或外力,压电陶瓷将会被压缩,压缩形变量公式如下:
当没有变力加载的时候,由于加载的电压相同,形变量相同。
当外部加载过高负载力的时候,压电陶瓷将会产生退极化,主要取决于所采用的压电陶瓷材料,这种退极化是可逆的,可以通过加载电场的方式重新极化。
当外部负载力超过了陶瓷材料所能承受的极限,那么退极化有可能会变得不可逆转,甚至会导致内部的陶瓷层损坏。
因此在实验中,需要参照压电陶瓷性能参数表所给出的负载力值。
芯明天叠堆压电陶瓷PSt150/5x5/..系列的横截面积为5x5mm,外部负载力可能会产生退极化的临界点为1600N,因此在使用时负载力要小于1600N。
外部负载力为变力
当外部负载力为变力时比如弹簧连接,由于弹簧的特性,作用在压电陶瓷上的力F会随着陶瓷长度的伸长而增大,机械力可以表示为F=CF·Δl(CF为弹簧的刚度),此时压电陶瓷的形变量计算公式如下:
压电陶瓷无负载力时的形变量与负载力后的形变量也可以表示为:
有一部分的形变量用于抵消外力,导致压电陶瓷的形变量变小。
当压电陶瓷的刚度与弹簧的刚度相同时,压电陶瓷将会产生的形变量为无任何负载力时形变量的一半。
例如:芯明天压电陶瓷PSt150/5x5/20的刚度为60N/μm,无负载时的形变量为20μm,将压电陶瓷嵌入刚度为CF=1/10CT的机械结构时,按照以上公式计算形变量将会减少到18μm, 如果机械结构刚度增加到70%压电陶瓷刚度时,CF =0.7CT=42N/μm此时形变量将会减少到11.7μm。
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