《高溫壓電微馬達研究》是依託北京大學，由董蜀湘擔任負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高溫壓電微馬達研究
- 項目負責人：董蜀湘
- 項目類別：面上項目
- 依託單位：北京大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高溫環境下的實時動態控制在許多動力工程技術和能源領域具有重要意義。比如為了提高燃燒效率和減少污染，一般燃燒發動機、噴氣發動機、燃氣發電機、高溫燃料電池等均需要一種可在高溫環境下實現實時、動態（快速）和精密控制節流和導流的特種驅動器。傳統的電磁馬達，包括最近發展起來的超聲電機，其工作溫度一般不超過175 C。如何實現電機與驅動器在高溫環境下(300-800 C)工作，可以說是一項世界性的挑戰。最近鉍層狀結構、鹼金屬鈮酸鹽和AlN薄膜等高溫壓電陶瓷的發展，已為突破這一挑戰提供了條件。本項目將探索各種高溫壓電陶瓷與單晶材料用於高溫壓電馬達的可能性，並發展出至少一種高溫微馬達樣機。研究內容包括：（1）高溫壓電微馬達的製備科學，（2）壓電材料在高溫環境下的諧振特性、損耗特性，（3）高溫壓電微馬達理論模型和設計方法，（4）壓電馬達和摩擦材料的高溫特性。本課題目標是突破目前電磁電動機最高工作溫度極限。
結題摘要
針對高溫壓電器件的套用，我們系統研究了高溫壓電陶瓷BiScO3-PbTiO3及其軟、硬性摻雜改性。針對高溫壓電驅動器套用，發展了兩種摻雜改性高溫壓電材料：（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)，在準同型相界MPB組分，其壓電係數d33分別達到505 pC/N和550 pC/N，而其居里溫度仍然高於400℃。這一結果屬於目前最好水平。針對高溫壓電馬達套用，嘗試了Mn摻雜BS-PT硬性高溫壓電陶瓷，當Mn含量達到4 mol%時，0.36BiScO3-0.64PbTiO3+Mn陶瓷的壓電常數d33、介電損耗tan δ、平面機電耦合係數kp、厚度機電耦合係數kt、縱向機電耦合係數k33以及機械品質因數Qm分別可以達到254 pC/N, 0.0096, 0.476, 0.494, 0.666 和210。改性後，Qm增加了7倍。提出了改性的硬性高溫壓電陶瓷：0.03Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-(1-x)BiScO3-xPbTiO3（PMN-BS-PT），當x = 0.62時，其壓電常數、機械品質因數和居里溫度分別為289 pC/N、320和445℃，其綜合性能明顯優於美國賓州大學報導的Mn摻雜BS-PT陶瓷。 在高溫壓電材料的基礎上，我們用軟性陶瓷製作了數種高溫驅動器，用硬性陶瓷製作了高溫壓電微馬達。製備了改進的多層高溫壓電驅動器，提出了切彎模式和單片叉指d33模式二種新型高溫壓電驅動器。實驗結果表明它們均能在200℃正常穩定地工作，且長方片叉指d33模式驅動器的工作溫度可達到380℃，遠高於傳統電磁驅動器的工作溫度。發展了B1-B1新工作模式方塊結構高溫壓電直線馬達。實驗發現B1-B1模式壓電馬達，可改善了傳統L1-B2馬達所存在的模式分裂問題。測試表明直到150℃，B1-B1模式馬達工作性能保持穩定。150-200℃馬達性能雖然開始下降，但仍然可以有效工作。當驅動電壓為100 Vp-p、測試溫度為200℃時，馬達的空載速度、最大效率和負載分別為150 mm/s、1.5%和30 g。B1-B1模式的設計顯著拓寬了壓電馬達的工作溫度範圍。
