Bộ kích hoạt áp điện
Bộ kích hoạt áp điện là thiết bị hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện ngược, tạo ra sự dịch chuyển khi có điện áp và sinh ra điện áp khi có rung động Đây là một bộ kích hoạt vi dịch chuyển hoàn hảo, điều khiển được bằng điện trường, với tốc độ đáp ứng cao, thể tích và khối lượng nhỏ, cùng với nhiệt lượng phát sinh ít Hiệu suất vượt trội của bộ kích hoạt áp điện mở ra tiềm năng lớn trong lĩnh vực điều khiển tích cực.
So với các bộ kích hoạt truyền thống, bộ kích hoạt áp điện có các ưu điểm:
Hiệu ứng áp điện cho phép chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học một cách hiệu quả, đồng thời tiêu thụ điện năng rất thấp Công nghệ này có khả năng hoạt động ổn định ngay cả khi chịu tải nặng mà không tiêu tốn điện năng, mang lại lợi ích lớn trong việc tiết kiệm năng lượng.
Bộ kích hoạt áp điện mang đến thời gian phản hồi nhanh chóng, chỉ trong cỡ micro giây, cho phép gia tốc đạt mức tương đương 10 lần gia tốc trọng trường.
Bộ kích hoạt áp điện không bị hao mòn do không có bánh răng hay trục quay, với sự dịch chuyển dựa trên động lực học ở trạng thái rắn Các nhà khoa học đã kiểm tra độ bền của bộ kích hoạt này và ghi nhận hiệu suất không thay đổi ngay cả sau vài tỷ chu kỳ.
Bộ kích hoạt áp điện sở hữu các đặc điểm nổi bật như định hướng lưỡng cực và hoạt động dựa trên nguyên lý trường điện từ Mật độ năng lượng đạt khoảng 10^6 J/m^3, với tần số dao động khoảng 100 kHz Các chế độ hoạt động của bộ kích hoạt này phụ thuộc vào hướng của điện trường, cùng với khả năng biến dạng từ 0.12% đến 0.15%.
Vật liệu áp điện
Piezoelectric Single Crystals (Đơn tinh thể áp điện)
PMN-PT (Chì Magie Niobate-Chì Titanate) có hằng số áp điện d33 lớn, với giá trị đạt 2200 pC/N cho đơn tinh thể 0,67PMN-0,33PT và k33 là 0,93 Hệ PZN-PT (Chì Kẽm Niobate-Chì Titanate) cũng là một đơn tinh thể áp điện quan trọng, nhưng khó sản xuất kích thước lớn do tính ổn định kém ở nhiệt độ cao và khả năng phân hủy từ perovskite sang pha pyrochlore Gần đây, nghiên cứu của Li và cộng sự đã ghi nhận hằng số áp điện siêu cao d33 từ 3400 đến 4100 pC/N cho đơn tinh thể PMN-PT pha tạp.
Sm, nhưng các giá trị Tc và Trt tương ứng chỉ là 65 và 60 ° C, giới hạn nhiệt độ phục vụ cao hơn của nó.
Ngoài đơn tinh thể sắt giãn áp điện, nhiều loại đơn tinh thể áp điện khác như (K, Na) NbO3 (KNN), LiNbO3 và thạch anh cũng được sử dụng nhờ vào tính chất độc đáo của chúng Gốm KNN có khả năng thay thế các vật liệu dựa trên PZT, mặc dù tính chất áp điện của nó thấp hơn Zheng và cộng sự đã phát triển thành công tinh thể đơn áp điện KNNT có kích thước lớn 12 × 11 × 11 mm³ với các hệ số ghép cơ điện ấn tượng là k33 = 0,827, kt = 0,646 và tanδ = 0,004.
Piezoelectric Ceramics (Gốm áp điện)
Gốm áp điện mềm (Soft Ceramics)
Gốm áp điện mềm sở hữu các hệ số d33, kp, Sij cao nhưng giá trị Qm lại thấp, cho thấy tiềm năng lớn trong lĩnh vực truyền động không tương tác Một số loại gốm mềm phổ biến bao gồm PZT 5A (gốm thương mại), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3 (PZN-PZT), Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3 (PNN-PZT) và gốm không pha chì (Na1/2K1/2), NbO3.
(KNN), BaTiO3 (BT), (Na1/2Bi1/2)TiO3 (NBT).
Gốm PMN-PT đã được nghiên cứu rộng rãi bởi tính chất đáng chú ý của chúng.
Nhiều phương pháp đã được áp dụng để cải thiện tính chất của gốm PMN-PT, bao gồm việc pha trộn thêm nguyên tố D.Wang đã nghiên cứu việc thêm Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 vào gốm PMN-PT và xác định được hình thái biên pha với đặc tính tối ưu tại Tc = 245 o C, d33 = 450 pC/N và kp = 49% Gần đây, H Li đã tổng hợp gốm PMT-PT với hệ số áp điện cao d33 = 1500 pC/N, mặc dù ở nhiệt độ thấp (89 o C).
PZN-PZT và PNN-PZT đang được nghiên cứu sâu rộng, với sự khuếch tán nhiệt pha của PZN vào khoảng 140 o C Thành phần tối ưu của PZN là 0.5PZN-0.5Pb(Zr0.47Ti0.53)O3, đạt d33 = 430 pC/N, kp = 0.67, Pr = 27 àC/cm² và Tc ≈ 250 o C Các nhà nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau để cải thiện các hệ số này.
Li và các cộng sự đã tìm ra được ranh giới pha nằm trong khoảng lân cận của x = 0.3, d33
Gốm PZN-PZT có hiệu suất cao với các chỉ số như ≈ 550 pC/N, kp ≈ 0.69, ɛr = 2327, và Tc ≈ 325 o C Qua quá trình nghiền bi động năng cao, hiệu quả của gốm PZN-PZT đã được nâng cao, đạt d33 = 380 pC/N và kp = 0.49 Một số tạp chất như LiCO3, Sm2O3 và La2O3 đã được sử dụng để cải thiện tính chất gốm, với La2O3 giúp tăng độ phân cực và PNN nâng cao d33 Nghiên cứu của J Du về gốm 0.5PNN-0.135PZ-0.315PT cho thấy tính chất điện tốt với d33 = 1070 pC/N, kp = 0.69 và ɛr = 8710 Các đặc điểm nổi bật của PNN-PZT xuất phát từ cấu trúc hình thoi, tứ diện và lập phương, dẫn đến hằng số điện môi cao Quá trình tối ưu hóa thuộc tính gốm PNN-PZT đã thành công nhờ việc bổ sung các thành phần như Fe2O3, Sm2O3, Lu2O3 và nhiều oxit chì khác.
Gốm áp điện không pha chì đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu nhờ vào sự phát triển nhanh chóng và khả năng cạnh tranh với gốm áp điện có chì Trong số các loại gốm này, KNN và BNT nổi bật với nhiều nghiên cứu được công bố H.Li đã chế tạo thành công một loại gốm công nghệ cao với đặc tính d33 đạt 700 pC/N và kp 76% Tuy nhiên, gốm KNN gặp khó khăn trong việc tạo ra cấu trúc mong muốn do hiện tượng bay hơi trong quá trình kết tinh, trong khi gốm BNT lại khó khăn trong việc phân cực.
Gốm cứng có đặc điểm là Qm cao (yếu tố cơ học) và tổn hao thấp về cả cơ và điện.
Gốm cứng có nhiều ứng dụng quan trọng trong các thiết bị như máy biến áp áp điện, động cơ áp điện và cảm biến siêu âm Khi áp dụng điện áp xoay chiều cao, gốm cứng giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng điện chuyển hóa thành năng lượng nhiệt nhờ vào các đặc tính cơ điện của nó.
Pb(Mn1/3Sb2/3)O3 -PZT (PMS-PZT) và Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PZT (PMnN-PZT) là hai loại gốm áp điện cứng phổ biến với đặc tính Qm > 1000 và tanδ < 1% PMS-PZT có các chỉ số tối ưu như d33 = 374 pC/N, kp = 0.6, Qm = 1250 và tanδ = 0.41% Một số thành phần như Pb(Mg1/3Ta2/3)O3 và Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 - Pb(Sn1/3Nb2/3)O3 đã được thêm vào hệ thống PMS-PZT, nâng cao Qm lên 1500 PMnN-PZT, theo nghiên cứu của H Chen, đạt được d33 = 307 pC/N, kp = 0.55 và Qm = 2379 X Gao đã cải thiện nhiệt độ nóng chảy bằng cách thêm CuO, với kết quả kp = 0.47, Qm = 1300, tanδ = 0.4% và nhiệt độ kết tinh thấp hơn 930 °C.
Gốm nhiệt độ cao (High Template Ceramics)
Một số cơ cấu truyền động hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và nhiệt độ cao, như trong lò phản ứng hạt nhân Các nhà khoa học đang nỗ lực tìm kiếm loại gốm áp điện có khả năng chịu nhiệt cao để ứng dụng trong các cơ cấu truyền động áp điện và động cơ.
Năm 2001, R.E.Eitel đã nghiên cứu một loại gốm mới mang tên Bi(Me)O3-PbTiO3, với nhiệt độ chuyển tiếp Tc đạt 450 oC Bên cạnh đó, BiScO3-BiGaO3-PbTiO3 được xác định là một đơn tinh thể có tổn thất điện môi chỉ 0.3% khi thử nghiệm ở tần số dao động 1kHz.
Piezoelectric Polymers (Polyme áp điện)
Polyme áp điện có những đặc điểm nổi bật so với các chất vô tổ chức, cho phép chúng lấp đầy những khoảng trống mà tinh thể đơn và gốm không thể đảm nhận hiệu quả Mặc dù hằng số biến dạng áp điện (d31) của polyme thấp hơn so với gốm, nhưng hằng số ứng suất áp điện (g31) của chúng lại cao hơn nhiều, cho thấy khả năng cảm biến vượt trội Các cảm biến và thiết bị truyền động từ polyme áp điện mang lại lợi thế về tính linh hoạt, nhờ vào trọng lượng nhẹ, độ dẻo dai, khả năng sản xuất dễ dàng thành các khu vực lớn và khả năng tạo hình phức tạp Ngoài ra, polyme còn có độ bền cao và khả năng chống va đập tốt.
Polyme có nhiều tính năng nổi bật như hằng số điện môi thấp, độ cứng đàn hồi thấp và mật độ nhẹ, giúp tăng độ nhạy điện áp, rất lý tưởng cho các ứng dụng cảm biến Chúng cũng sở hữu trở kháng cơ học và âm học thấp, điều này đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực y tế và dưới nước Ngoài ra, polyme thường có độ đánh thủng điện môi cao và cường độ trường hoạt động lớn, cho phép chúng chịu được các trường động lực mạnh mẽ hơn so với gốm sứ Hơn nữa, polyme cho phép tạo hình các điện cực trên bề mặt phim và chỉ định các vùng cực cụ thể, mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong kỹ thuật và thiết kế thiết bị.
Bảng 1: So sánh đặc tính đối với vật liệu polyme áp điện và vật liệu gốm tiêu chuẩn d31 a
(mV-m/N) k31 Tính năng nổi bật
28 240 0.12 linh hoạt, nhẹ, âm thanh thấp.
Cấu trúc của polyme áp điện bao gồm hai loại chính: polyme bán tinh thể và vô định hình, mỗi loại có cơ chế áp điện riêng Dù có sự khác biệt về độ ổn định phân cực, tất cả polyme áp điện đều có bốn yếu tố quan trọng chung.
Như được tóm tắt bởi Broadhurst và Davis (3) các yếu tố thiết yếu này là:
Sự hiện diện của các lưỡng cực phân tử vĩnh viễn.
Khả năng định hướng hoặc sắp xếp các lưỡng cực phân tử.
Khả năng duy trì sự liên kết lưỡng cực này một khi đạt được.
Khả năng của vật liệu chịu biến dạng lớn khi ứng suất cơ học.
Nguyên lý hoạt động của gốm áp điện
Gốm áp điện có độ dày e chịu một điện trường E = V/e, trong đó V là hiệu điện thế từ nguồn điện Trong trường hợp phân cực nghịch, gốm sẽ biến dạng do hiệu ứng này, và biểu thức liên quan đến điện trường được tính bằng V/m.
Trong đó S là độ biến dạng sinh ra bởi hiệu ứng áp điện và d (m/V) là hằng số biến dạng áp điện.
Biến dạng của mẫu không chỉ giới hạn ở một loại, mà còn chịu ảnh hưởng từ nhiều lực cơ học khác nhau Do đó, cần xem xét các biến dạng đa dạng mà mẫu trải qua Tổng biến dạng của mẫu có thể được biểu diễn qua một công thức cụ thể.
S = d.E + s.T, trong đó s (m²/N) đại diện cho tuân thủ đàn hồi, là nghịch đảo của module Young của gốm, và T (N/m²) là ứng suất do ngoại lực tác động lên mẫu Đồng thời, hiện tượng dịch chuyển điện tích cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Một đặc tính quan trọng của vật liệu áp điện là tính chất điện môi của chúng Khi tiếp xúc với điện trường, xảy ra sự dịch chuyển của điện tích, được gọi là mật độ điện tích D (C/m²) Do đó, chúng ta có thể thiết lập biểu thức cho sự dịch chuyển điện trong mẫu vật liệu áp điện đã thảo luận.
Với (F/m) là môi trường điện môi của vật liệu ceramic trong trường hợp này, lưu ý rằng giá trị sau có thứ tự từ 10 -9 đến 10 -12 F/m đối với chất điện môi.
Mẫu gốm áp điện sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài, dẫn đến sự dịch chuyển điện nhờ hiệu ứng áp điện trực tiếp, với mối quan hệ tỷ lệ thuận với ứng suất tác dụng T.
D = d.T trong đó d tính bằng đơn vị C/N, tương đương với (định nghĩa của cường độ điện trường) V/m 4
Vì vậy ta tìm thấy biểu thức cho tổng dịch chuyển điện trong một vật liệu áp điện là:
Chúng ta có thể viết dưới dạng ma trận:
Xét 2 trường hợp đặc biệt của hệ thống:
+ Trường hợp ngắn mạch: Điện trường tác dụng lên vật liệu bằng 0, khi đó S=sT D=dT + Trường hợp hở mạch: Độ dịch chuyển điện tích bằng 0, khi đó:
Do đó, thấy được sự khác biệt giữa tuân thủ đàn hồi trong ngắn mạch, ở đây viết là sE và khi mạch hở sẽ viết là sD:
(1.12)Cuối cùng, ta thu được biểu thức chung
PHÂN LOẠI, ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ ÁP ĐIỆN.
Theo một nghiên cứu năm 2018 (KK Sappati, S Bhadra, 2018) các vật liệu áp điện thường được nhóm thành các loại:
- Tinh thể đơn : Quartz, LiNbO3, Lithium Tantalate (LiTaO3)
- Vật liệu tinh thể đa: BaTiO3, PbTiO3, Lead Zirconate(PbZrO3),
- Relaxator Ferro electrics: Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate (PMN-PT), Lead Zirconium-Niobate-Lead Titanate (PZN-PT)
- Polymers: PVDF, Poly (vinylidene diflouride- trifluoro ethylene) P(VDF-TrFE), Polymer-Ceramic composites.
Các dạng vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất bao gồm piezo ceramic và piezo polime Theo KK Sappati và S Bhadra (2018), vật liệu Piezoelectric Paper đang trở thành xu hướng nghiên cứu mới Giấy hybrid là một giải pháp thay thế tốt cho chất nền polyme áp điện, với chi phí thấp hơn và thân thiện với môi trường Đặc điểm nổi bật của giấy hybrid là việc kết hợp vật liệu áp điện có cấu trúc nano (gốm) vào sợi cellulose gỗ trước khi sản xuất.
The most commonly used types of piezoelectric actuators in popular materials like ceramics and polymers include multilayer (stack) actuators, bimorph (bender) actuators, stick-slip actuators, tube actuators, and bulk actuators, as highlighted by Nicolas Chaillet and Stéphane Régnier in their 2010 research.
Multilayer (stack) actuators
Bộ kích hoạt ngăn xếp bao gồm nhiều lớp áp điện được ngăn cách bởi các lớp cách điện, với phần đầu và cuối mỗi lớp được đặt cùng một điện áp Các phần tử áp điện trong thiết bị truyền động xếp chồng lên nhau có phân cực xoay chiều, và điện trường được đặt song song với hướng phân cực Khi điện áp được áp dụng, biến dạng hoặc dịch chuyển xảy ra theo hướng phân cực, và chuyển động của mỗi phần tử áp điện tỷ lệ với điện áp đặt nhân với hệ số áp điện Tổng chuyển động của cả ngăn xếp áp điện là tổng dịch chuyển của các phần tử trong stack.
Hình 4 Bộ kích hoạt điện áp ngăn xếp
Các điện cực bên trong cùng cực được kết nối với nhau thông qua các điện cực bên ngoài nằm trên bề mặt thiết bị truyền động Để cách điện, một lớp thủy tinh mỏng được đặt giữa các mặt của vật liệu áp điện, ngăn cách các điện cực bên trong với các điện cực bên ngoài antipode.
Bộ kích hoạt áp điện trực tiếp chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học mà không có bộ phận chuyển động, giúp giảm ma sát và mài mòn Độ phân giải của chúng chỉ bị giới hạn bởi các thành phần bên ngoài, cho phép đạt thời gian phản hồi nhanh và tốc độ tăng tốc cao Các bộ kích hoạt này có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt như chân không, điều kiện đông lạnh và từ trường, phù hợp cho ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng, hàng không vũ trụ, ô tô và bán dẫn.
2001) và nhóm của họ đã đề xuất một cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat áp điện ngăn xếp.
Hình 5 Cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat áp điện ngăn xếp
Cũng trong (H Zhou, B Henson, A Bell, A Blackwood, 2001) Zhou đã mô tả động cơ truyền động bằng quán tính dựa trên các ứng dụng của bộ kích hoạt ngăn xếp.
Hình 6 Động cơ truyền động bằng quán tính
Cấu trúc áp điện ngăn xếp đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng truyền động, đặc biệt trong các cơ cấu vi kẹp có độ chính xác cao Zheng Li (Z Li, L Zhao) đã nghiên cứu và phát triển các giải pháp hiệu quả trong lĩnh vực này.
Nhóm nghiên cứu của X Yu (2020) đã phát triển một cơ cấu kẹp dựa trên chuyển động của cấu trúc áp điện, với tốc độ kẹp có thể đạt hơn 350 mm/s, tùy thuộc vào điện áp cung cấp cho vật liệu (Z Li, L Zhao, X Yu, 2020) Tương tự, một mô hình tay kẹp khác cũng được thiết kế bởi nhóm của Das (TK Das, B Shirinzadeh, M Ghafarian, 2020), áp dụng phương pháp tương tự trong thiết kế cơ cấu kẹp.
Hình 7 Cơ cấu kẹp của Zheng Li (bên trái) và Das (bên phải)
Bimorph (bender) actuators
Hình tạo ra điện áp có thể được sử dụng để đo độ dịch chuyển hoặc gia tốc Ngoài ra, chế độ này cũng có khả năng thu năng lượng hiệu quả.
Vật liệu áp điện thường xuất hiện dưới dạng lớp kép, trong đó hai lớp có cùng hướng phân cực Khi điện áp được áp dụng, điện áp ở lớp trên sẽ ngược chiều với điện áp ở lớp dưới.
Nghiên cứu của Qing-Ming Wang và các cộng sự (1999) cho thấy rằng không chỉ sử dụng hai lớp áp điện mà còn có thể thay thế một lớp bằng vật liệu khác trong các cấu trúc bimorph, unimorph và ba lớp uốn Hai cấu hình cổ điển bimorph và unimorph được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị như cảm biến âm thanh, loa, và micropumps Wang đã chỉ ra rằng hằng số điện môi của các cấu trúc này thấp hơn so với vật liệu áp điện do tác dụng kẹp của từng thành phần Đối với uốn cong một lớp và ba lớp, hằng số điện môi thay đổi theo tỷ lệ độ dày của các lớp Đặc biệt, hằng số điện môi lớn nhất ở uốn cong ba lớp xuất hiện tại các tỷ lệ độ dày nhất định, trong khi ở unimorph, hằng số điện môi giảm theo tỷ lệ độ dày Sử dụng lớp đàn hồi cứng hơn cũng dẫn đến hằng số điện môi thấp hơn trong cả hai cấu trúc uốn cong.
Figure 9 illustrates the structures of bimorph, unimorph, and triple-layer benders, showcasing (a) the configuration of a bimorph bender in a series connection, (b) a bimorph bender in a parallel connection, (c) a triple-layer bender, (d) a unimorph bender, and (e) a rainbow device (QM Wang, X Du, B Xu, LE Cross, 1999).
Trong năm nay, Zhang và nhóm của ông đã phát triển động cơ quay quán tính hai bậc tự do sử dụng bộ kích hoạt áp điện hai chiều (PEA) Các tấm áp điện được xếp chồng hai lớp với hai bộ áp điện kích hoạt trái hướng, cho phép chân đỡ khối cầu di chuyển theo trục x, trong khi trục y cũng được trang bị bộ tương tự Kết quả là cơ cấu này có khả năng di chuyển theo hai hướng vuông góc nhờ vào sự chuyển động của khối cầu Quá trình mô tả chuyển động của chân đỡ khối cầu thông qua các tấm áp điện được thể hiện trong hình 12.
Hình 10 Động cơ quay quán tính hai bậc tự do và sự bố trí các tấm bimorph piezo (S
Zhang, Y Liu, J Deng, X Tian, X Gao, 2021)
Hình 11 Mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ của Zhang (S Zhang, Y Liu, J Deng, X
Stick-slip actuators
Tổng quan về Stick-Slip actuators
Trong các hệ trượt macro, hiện tượng dính-trượt thường được coi là yếu tố gây nhiễu, dẫn đến việc phát triển nhiều mô hình và phương pháp phân tích để ổn định các hệ động lực học có ma sát Tuy nhiên, trong các hệ micro, hiện tượng này có thể được khai thác như một nguyên lý kích hoạt, gọi là chuyển động dính-trượt Nếu lực tác động lên phần tử chấp hành (PTCH) được điều khiển về cả độ lớn và phương chiều, có thể tạo ra chuyển động dính-trượt lặp đi lặp lại theo hướng đã định.
Hình 12 Sơ đồ nguyên lý chuyển động dính-trượt (Nicolas Chaillet, Stéphane Régnier,
Sơ đồ mô tả PTKH làm từ vật liệu áp điện, gắn với nửa cầu tạo tiếp xúc với PTCH Tín hiệu điện kích hoạt chuyển động dính-trượt có dạng răng cưa, bao gồm pha tăng chậm và pha giảm nhanh Trong chu kỳ, PTKH có hai trạng thái: dãn chậm và co lại nhanh Pha tăng chậm, khi PTCH di chuyển cùng PTKH, lực quán tính nhỏ hơn lực ma sát tĩnh, khiến độ dịch chuyển của hai phần tử giống nhau, được gọi là pha dính Ngược lại, trong pha giảm nhanh, khi PTKH co lại với gia tốc lớn, lực quán tính của PTCH vượt qua lực ma sát tĩnh, dẫn đến hiện tượng trượt Ban đầu, hai phần tử vẫn dính do lực quán tính chưa đủ lớn, tạo ra bước lùi Khi lực quán tính đủ lớn, PTCH trượt trên PTKH, hoàn thành một bước dịch chuyển sau mỗi chu kỳ dính-trượt.
Mỗi bước chuyển vị trong chu kỳ của vật liệu áp điện là rất nhỏ do giới hạn độ biến dạng, nhưng lý thuyết cho rằng khoảng làm việc là không giới hạn Trong chế độ quét, độ dịch chuyển nhỏ mang lại ưu điểm về độ chính xác cao Một số mô hình tương tự như của Zhang (2018) và Xu (2020) sử dụng cơ cấu tam giác để tạo ra chuyển động, với nguyên lý kẹp chặt trong giai đoạn 'stick' và giải phóng trong giai đoạn 'slip' Ngoài ra, cơ cấu khớp mềm cũng có thể được áp dụng, trong đó sự co giãn của vật liệu áp điện giúp thanh trượt di chuyển một đoạn ∆s, và sự lặp lại của quá trình này sẽ làm cho cơ cấu tiếp tục di chuyển.
Hình 13 Mô hình Stick-slip actuator của Zhang (Y Zhang, Y Peng, Z Sun, H Yu, 2018)
Hình 14 Mô hình Stick-slip actuator của Xu (Z Xu, H Huang, J Dong, 2020)
Một số các hiện tượng của cơ cấu Stick-Slip
Hiện tượng chuyển vị đầu xảy ra khi thiết bị hoạt động, tại vùng tiếp xúc có hai chế độ ma sát: chế độ chuyển vị đầu (hay còn gọi là chế độ vi trượt) và chế độ trượt Chế độ chuyển vị đầu của tiếp xúc ma sát giữa hai bề mặt được minh họa như hình dưới đây.
Hình 15 Biến dạng của các nhấp nhô và chuyển vị đầu dưới tác dụng của ngoại lực
Khi lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến tác động lên hai vật, xuất hiện tiếp xúc vi mô giữa các nhấp nhô ở bề mặt tiếp xúc Trong chế độ ma sát chuyển vị đầu, lực giữ giữa các nhấp nhô chiếm ưu thế, khiến lực ma sát phụ thuộc vào chuyển vị hơn là vận tốc Các nhấp nhô biến dạng đàn hồi dẻo, tương tự như lò xo phi tuyến, gây ra dịch chuyển chuyển vị đầu và ma sát tĩnh Khi lực tiếp tuyến tăng lên, dịch chuyển cũng tăng, dẫn đến phá vỡ tiếp xúc nhấp nhô và hiện tượng trượt hoàn toàn Lực ma sát chuyển sang chế độ trượt, trở thành hàm theo vận tốc Tại thời điểm chuyển giao giữa hai chế độ, lực ma sát đạt giá trị Fba (lực tới hạn), và khoảng dịch chuyển tối đa trước khi phá vỡ tiếp xúc được gọi là khoảng tới hạn - zba b Cụm từ “Biên độ 0” chỉ biên độ biến dạng nhỏ nhất của “Phần tử kích hoạt” mà không gây ra chuyển động cho “phần tử chấp hành”, cho thấy rằng dưới mức này, chuyển vị tương đối không vượt qua được biến dạng tiếp xúc, dẫn đến phần tử chấp hành chỉ dao động quanh vị trí ban đầu.
Hình 16 Quan hệ giữa độ lớn biên độ dao động và độ lớn bước dịch chuyển của PTCH
Khi giá trị biên độ đạt 16nm, PTCH bắt đầu dịch chuyển, với biên độ 0 tương đương 16nm Biên độ liên quan đến mức điện áp cấp vào, và giá trị điện áp tương ứng với biên độ 0 được gọi là giá trị điện áp điều khiển tối thiểu Hiểu biết về hiện tượng này giúp tối ưu hóa hiệu suất thiết bị, như giảm biên độ 0 để giảm mức điện áp tối thiểu, từ đó tiết kiệm chi phí vật tư Hiện tượng vi dao động sau pha trượt được giải thích qua chế độ ma sát chuyển vị đầu, khi các liên kết giữa các nhấp nhô được hình thành trở lại khi biên độ nhỏ hơn hoặc bằng 0 Trong pha dính, PTCH chuyển động dưới tác động của lực ma sát, và các tiếp xúc tế vi biến dạng đàn hồi hoạt động như lò xo, tạo ra dao động trong hệ khối lượng-lò xo-cản Những vi dao động này có thể chưa được dập tắt hoàn toàn nếu thiết bị hoạt động ở tần số cao, gây ra sự hỗn loạn trong chuyển vị và hiệu suất thiết bị Do đó, các phương pháp giảm vi dao động là rất cần thiết, và việc chọn vật liệu cho PTKH có độ cứng cao hơn sẽ giúp giảm thiểu vi dao động chủ yếu do biến dạng đàn hồi tại các tiếp xúc.
Tube actuators
Cơ cấu tube actuators là thiết bị hình trụ bao gồm các tấm áp điện với điện cực hai phía, cho phép giãn dài theo trục thẳng đứng hoặc hướng tâm (M Hammouche, P Lutz, M Rakotondrabe, 2019) Bộ kích hoạt ống piezoceramic là loại nguyên khối, co theo hướng tâm và dọc trục khi có điện áp giữa các điện cực Chúng thường được ứng dụng trong kính hiển vi đầu dò quét để tạo chuyển động quét động và làm bộ kéo giãn sợi Ngoài ra, tube actuators còn được sử dụng cho các nhiệm vụ định lượng nhỏ trong máy bơm nanoliter và máy in phun.
Các hành động thường không chỉ giới hạn ở các hướng một chiều, và nhiều bậc tự do là cần thiết cho hầu hết các ứng dụng chuyển động phức tạp Trong khi động cơ điện từ truyền thống thường được sử dụng, động cơ siêu âm cho thấy sự linh hoạt hơn trong thiết kế chuyển động đa bậc tự do, đặc biệt trong không gian hạn chế (X Gao et al., 2020) Nhóm nghiên cứu của Chen đã phát triển một vi động cơ siêu âm 2 bậc tự do với kích thước 2 × 2 × 9 mm (Zhijiang Chen et al., 2014) Ngoài ra, Guo và các cộng sự đã giới thiệu một động cơ siêu âm 3-DOF nhỏ với ống PZT có đường kính ngoài 5 mm và chiều dài 15 mm (Mingsen Guo et al., 2013) Cấu hình thiết kế của động cơ siêu âm 3 bậc tự do được trình bày trong nghiên cứu của họ.
2008) thiết kế một động cơ khá phức tạp cấu trúc và đa bậc tự do, như trong Hình 17C.
Hình 18 Cơ cấu 2 bậc tự do, 3 bậc tự do, và toàn bậc do bằng vật liệu áp điện [18]
Bulk actuators
Hiệu ứng áp điện có thiết kế phù hợp cho nhiều ứng dụng, nhưng lại đẳng hướng trong mặt phẳng cơ cấu truyền động, không cho phép tách biệt các biến dạng dọc và ngang, điều này có thể cần thiết cho một số trường hợp Hiệu ứng ngang yếu hơn khoảng 50% so với hiệu ứng áp điện sơ cấp, xảy ra theo hướng phân cực Có nhiều phương pháp khác nhau để phát triển thiết bị truyền động IDE áp điện, dựa trên màng áp điện số lượng lớn hoặc vật liệu composite với sợi áp điện, cả hai khái niệm này sẽ được trình bày chi tiết hơn.
Hình 19 Sơ đồ thiết kế IDE của cơ cấu chấp hành
Bộ kích hoạt phim IDE hàng loat
Vật liệu áp điện được sử dụng là tấm PZT thương mại (SonoxP53, CeramTec) với độ dày 200 μm, được bảo vệ bởi lớp phủ polymer giúp cách ly điện và độ ẩm cho các điện cực ở cả hai mặt Việc áp dụng quan hệ đối xứng giúp giảm kích thước mô hình, tạo ra ô đơn vị nhỏ hơn Lớp phủ điện cực mỏng không ảnh hưởng đến cơ học và không được tính như một vật liệu phụ trong mô hình, mà được thể hiện qua giới hạn điện với giả định điện thế không đổi trên vùng ngón tay điện cực của bề mặt gốm Tải điện trong mô hình được thể hiện bằng điện áp điều khiển, áp dụng giữa các ngón tay điện cực lân cận.
Bộ kích hoạt phim tổng hợp
Trong những năm gần đây, sợi gốm áp điện đã được phát triển với nhiều loại khác nhau, dựa trên các thành phần PZT và độ dày từ 30 đến 200 Việc nhúng các sợi này vào ma trận polyme cho phép tạo ra vật liệu tổng hợp áp điện, mở ra cơ hội ứng dụng trong các cảm biến và thiết bị truyền động.
Hình 20 Thiết kế chính bộ chuyển động hỗn hợp IDE
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ ÁP ĐIỆN
Bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp
Chúng ta có thể đưa ra nhiều giả định khác nhau để giảm bớt sự phức tạp của vấn đề và số lượng các biến liên quan:
1) Tất cả các biến dạng khác ngoài S 3 có thể được bỏ qua.
2) Tất cả các ứng suất ngoại trừ T 3 có thể được bỏ qua.
3) Điện trường chỉ tác dụng theo hướng 3.
4) Mật độ điện tích khác không duy nhất là D 3
Sử dụng các giả định này, chúng ta có thể thu được:
Hình 22 Các thông số chính trong cấu hình ngăn xếp Độ giãn dài x i của lớp i có độ dày t sau đó có thể được viết:
(3.4) Độ giãn dài x i sau đó được viết là:
Vì các lớp nằm trong một chuỗi, nên tổng dịch chuyển X của cơ cấu chấp hành là tổng độ giãn dài của mỗi lớp:
Hành trình tự do là chuyển động của cơ cấu chấp hành khi không có ứng suất tác động, trong khi lực chặn là lực do cơ cấu truyền động tạo ra khi nó được giữ ở vị trí không biến dạng.
Hình 23 Đặc tính tĩnh của thiết bị truyền động ngăn xếp áp điện (XLi và FBi là hành trình tự do và lực chặn đối với điện áp Vi, i = 1, 2, 3)
Bimorph (bender) actuators
Hướng phân cực của hai lớp là giống nhau, trong khi điện áp được áp dụng cho các thiết bị đầu cuối của lớp trên lại ngược với lớp dưới.
Hình 24 Bộ kích hoạt áp điện Bimorph
Các điện áp đối nghịch gây ra sự giãn nở của lớp trên và sự co lại của lớp dưới, dẫn đến hiện tượng uốn Do hai lớp được dán chặt với nhau, tổng độ uốn tạo ra được xác định bởi tham số X, biểu thị hiệu quả của cơ cấu chấp hành.
Hình 25 Nguyên tắc hoạt động của bimorph
Hình 26 Các thông số chính trong cấu hình bimorph
Chúng ta có thể đưa ra một số giả định để giảm độ phức tạp và số lượng biến liên quan:
1) Tất cả các biến dạng ngoại trừ S1 có thể được bỏ qua.
2) Tất cả các ứng suất ngoại trừ T1 có thể được bỏ qua.
3) Điện trường chỉ tác dụng theo hướng 3.
4) Mật độ điện tích khác không duy nhất là D3.
Chúng ta có thể sử dụng các giả định này để đơn giản hóa các phương trình (3.1) và (3.2) để thu được:
Giả sử tất cả các hệ số biến dạng áp điện đều đối xứng, với d31 = d13 Khi tính toán tất cả các yếu tố này, tổng độ uốn do bimorph tạo ra có thể được biểu diễn bằng công thức.
(3.9) Chuyển vị tĩnh lớn nhất và nội lực lần lượt là:
Stick-slip actuators
vị trí vi mô có độ phân giải cao (vài chục nanomet đến một vài micromet, với độ phân giải nanomet).
Hình 27 Nguyên tắc hoạt động ở chế độ bước [BRE 98]
Trong chế độ đầu tiên, bàn chân trải qua sự biến dạng chậm, sau đó nhanh chóng trở lại vị trí ban đầu Trong giai đoạn chậm, khối lượng di chuyển theo bàn chân nhờ ma sát “dính”, trong khi quán tính ngăn cản sự trượt trong giai đoạn quay trở lại nhanh chóng Khi cần dịch chuyển kích thước nhỏ hơn một bước, bàn chân được biến dạng từ từ để tránh trượt Đây là chế độ quét, và có thể kết hợp hai chế độ này để đạt được khoảng cách dịch chuyển dài mà vẫn duy trì độ phân giải nanomet.
Tóm lại, cơ cấu truyền động chống trượt được đặc trưng bởi các điểm sau:
- Độ phân giải vài nanomet (