0-3極化PLZT陶瓷片光致特性研究

發(fā)布時(shí)間：2020-06-16 02:18

【摘要】：0-3極化PLZT鐵電陶瓷作為一種光致伸縮材料,在特定波長(zhǎng)的紫外光照射下,由于反常的光生伏打效應(yīng),會(huì)沿著厚度方向產(chǎn)生相當(dāng)高非均勻分布電場(chǎng),在逆壓電效應(yīng)作用下產(chǎn)生非均勻應(yīng)變從而導(dǎo)致彎曲變形。PLZT陶瓷驅(qū)動(dòng)由于不需要導(dǎo)線連接從而避免了外界電磁場(chǎng)等不利因素的擾動(dòng),能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程非接觸控制,無(wú)線能量傳輸,具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣泛的工程應(yīng)用前景。本文采用理論、實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法研究了0-3極化PLZT陶瓷在紫外光照射下的光致特性。首先深入分析了0-3極化PLZT陶瓷光-熱-電-力多物理場(chǎng)耦合機(jī)制和關(guān)系,闡述了0-3極化PLZT陶瓷線性和非線性的本構(gòu)方程。搭建了0-3極化的PLZT陶瓷的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)研究了0-3極化PLZT陶瓷在不同光照強(qiáng)度下溫度、光生電壓、光生電流與彎曲變形的變化規(guī)律,觀察到了在彎曲變形與光生電壓之間的遲滯現(xiàn)象以及光停階段出現(xiàn)反向電壓、反向電流及反向彎曲。隨后通過(guò)風(fēng)冷裝置控制了0-3極化PLZT陶瓷片的溫度,實(shí)驗(yàn)測(cè)量風(fēng)冷時(shí)0-3極化PLZT陶瓷片光致特性,與未風(fēng)冷時(shí)多物理場(chǎng)的光致特性對(duì)比,溫度下降會(huì)導(dǎo)致光照階段飽和光生電壓降低,但對(duì)彎曲變形影響不是很明顯,在光停階段,反向電壓是由于0-3極化PLZT陶瓷放電和溫度下降導(dǎo)致的熱釋電電壓共同造成的。最后基于0-3極化的PLZT陶瓷多物理場(chǎng)耦合的本構(gòu)方程和RC電路,建立了其多物理場(chǎng)含時(shí)間參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出模型參數(shù),對(duì)比實(shí)驗(yàn)曲線與理論曲線,驗(yàn)證了模型的合理性。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ174.1
【圖文】：

示意圖,光繼電器,示意圖

由于 PLZT 陶瓷作為光致驅(qū)動(dòng)器有重要的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì) PLZT 陶瓷光致伸縮特性及其本構(gòu)方程做了深入研究，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了很大的成果。Uchino、Fukuda、Morikawa和 Poosanaas 等人分別對(duì)雙晶片式光致伸縮驅(qū)動(dòng)器開(kāi)展了深入研究，并對(duì)其進(jìn)行了有效的應(yīng)用。雙晶片結(jié)構(gòu)是由兩塊極化方向相反的 PLZT 陶瓷組成，公用一對(duì)公共電極，當(dāng)高能紫外光照射到驅(qū)動(dòng)器上時(shí)，受光面的 PLZT 陶瓷產(chǎn)生與極化方向相同的電壓，由于光致伸縮效應(yīng)，此側(cè)的陶瓷片將會(huì)伸長(zhǎng)，而背光面的陶瓷生成的電壓與極化方向相反，這一側(cè)會(huì)縮短，從而是整個(gè)雙晶片結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形。Uchino 等人在 1987 年，利用 PLZT 雙晶片的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)了一種光繼電器，當(dāng)光照到 PLZT 雙晶片時(shí)，繼電器處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)光照到 PLZT 陶瓷片時(shí)，繼電器斷開(kāi)，如圖 1.2 所示[45]；在 1989 年他還設(shè)計(jì)了一種通過(guò)雙晶片光致伸縮驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型行走器[46]；Fukuda 等人提出了了一種光控微夾鉗的概念，PLZT 陶瓷不受電磁干擾，在顯微外科手術(shù)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景[40]；Poosanaas 等人在 2000 年基于電壓源模型對(duì)反常光生伏特效應(yīng)進(jìn)行解釋，在考慮二階非線性磁化系數(shù)的情況下，計(jì)算出光生電場(chǎng)強(qiáng)度、光電流密度與光照強(qiáng)度的關(guān)系，并利用光致伸縮效應(yīng)提出了一種“向日葵”裝置,這個(gè)裝置在太陽(yáng)能板的兩側(cè)分別裝上兩個(gè)光致伸縮驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)陽(yáng)光傾斜照射時(shí)，會(huì)造成兩邊應(yīng)力不平衡，直到陽(yáng)光直射時(shí)，應(yīng)力平衡，這樣太陽(yáng)能板會(huì)隨著陽(yáng)光旋轉(zhuǎn)，能最大程度發(fā)揮太陽(yáng)能板的功效，如圖 1.3 所示[6]。

向日葵,雙晶片