新材料， 新液压（二）

第二期   压电材料在液压中的应用

上一期我们介绍了工程陶瓷材料的应用，本次小编再和大家一起来看看压电材料在液压中的应用。那什么是压电材料呢? 首先普及一下概念：顾名思义，某些材料在受到机械压力 (即使像声波那样小的机械压力), 会产生压缩或者伸长等形状变化,并引起介质表面带电，电荷的大小与压力的大小成正比，这种现象叫做正压电效应。如果给材料施加电场，材料会发生变形，这叫做逆压电效应^[1]，如下图所示。更直接一点就是，可以将机械能和电能相互转换的一种材料。

        压电材料发现至今已经一百多年了，所以在生活中的应用其实很多，最主要的比如测量动态力，机械冲击与振动等的传感器，在声学，医学，力学，航空等领域都有应用。如生活中常见的麦克风，立体声耳机和高频扬声器等，下面就是一个陶瓷压力传感器的应用，很多在校的学生也都做过压电材料的测量实验。甚至还有一些非常有创意性的好玩的应用，比如在国外就有人将某车站大厅的整个地板全部更换为压电材料，当人们在地板上走来走去的时候，机械能就转换为电能，从而对旁边的电灯进行供电，实现了室内的自供应电源。目前，这种技术延伸开来以后，甚至还有人在研究的发电公路的应用等。既然这种材料这么有意思，那么对于我们液压领域来说，又怎么能利用这种好玩的材料呢？下面小编和大家一起来一探究竟。

液压对压电材料的应用主要有以下2个方面：

一、压电微泵

微泵作为微流控系统的动力源,由于能实现微流量的精确输送和控制,因此在药物微量运输、燃料微量喷射、化学分析与检测、集成电路芯片的散热与冷却、生物芯片等方面有着重要的应用前景。压电微泵实现的方法也很简单，给用压电材料制作的密闭容器施加一个电流，材料会发生收缩变形，从而挤压内部的流量，输出一定的流量，控制输入电流的大小就可以控制需要的流量多少。自20世纪90年代微流控技术出现以来,各国研究人员对微流控技术的加工工艺、理论分析及试验方法等都进行了大量的研究。

从结构形式来划分,压电微泵可分为有阀压电微泵和无阀压电微泵两种。有阀型微泵制造工艺和应用技术成熟,原理简单,易于控制,是目前应用的主流;无阀型微泵则常常利用流体在微尺度下的新特性,原理比较新颖,更适于微型化,具有更大的发展前景^[1]。

有阀压电微泵爆炸图

        当然微泵也是一个迅速发展的领域，尤其是与各种新材料的结合。压电驱动的微泵只是微泵的一种，按照泵类有无运动件分，微泵可以分为机械式和非机械式。机械式微泵驱动力较大、响应速度快，是目前应用的主流，驱动方式目前有:压电驱动；静电驱动；热气驱动；电磁驱动；形状记忆合金驱动；电致动聚合驱动等，因为有可动部件，结构复杂，存在机械磨损和泄漏现象，不利于微型化、集成化发展。非机械式微泵将非机械能转变为微流体的动能，没有运动部件，结构简单、流量连续稳定，是目前研究的热点，有电液动力式；电渗驱动；磁流体动力；电浸润式等。

二、压电陶瓷驱动式液压阀

利用压电陶瓷的逆压电效应,采用不同的应用方式,可制作出各种形式的压电执行器,例如利用多层压电片叠加形成直动式压电执行器,利用两个压电片叠加形成摆动式压电执行器等,如下图所示。简单理解的话，它的原理也是利用一个控制电流加在压电式晶片上，通过晶片的变形来精确控制阀的开度，进而控制通过阀的流量。

图1为多层晶片型结构,如果采用单层较厚的晶片来产生所需的应变(变形),将需要在晶片两极施加很高的电压(如1000V以上)。而如果把单个晶片做得很薄,然后各片分别加电压,最后叠加起来,这样便可以利用较小的电压(一般在150V以下)获得较大的叠加变形。

图2为双层晶片型结构,该结构是将两块沿长度方向伸缩变形的压电晶片粘贴在一块弹性板上,通电压后,两块压电片其中一块伸长,另块缩短,从而造成弹性板整体的弯曲。这种形式的压电执行器制作比较容易,变位扩大率也较高,是一种较常用的形式。缺点是该结构利用的是弯曲变形,响应速度较慢,产生的力也不大。

图3为杠杆放大型结构，其原理是通过一个杠杆将一压电晶体的变形予以放大。当然,由于杠杆支点变形的影响,杠杆端点的位移不会象看上去的那么大，另一方面,利用压电晶体制造液控阀的一个目的是体积小型化,而杠杆放大型显然会导致结构尺寸大,是一个不利因素^[2]。

三、其他驱动方式

除压电陶瓷外,可用于制作液压阀驱动器的材料还有电致伸缩材料(PMN)、磁致伸缩材料(GMA)、甚至光致伸缩材料(PIZT)以及形状记忆合金(SMA)等。

顾名思义，这些材料与压电材料一样，都会产生压缩或者伸长等形状变化,并引起介质表面带电，只不过输入信号变成了电信号，磁信号，光信号等。当然具体的输入强度与输出变化量的关系也有变化。在此不一一赘述，有感兴趣的小伙伴，可以参考《先进液压传动技术概论》一书。

四、存在的问题

无论是用于制作微泵的驱动装置,还是用于制作液压阀的驱动装置,压电材料都存在定的缺点和不足,有待于进一步的研究和完善。在微泵的应用中,由于微机械材料、微测量、微控制、微装配和封装、复杂可动结构的微细加工以及微器件的设计技术等还不成熟,同时微流体的基础理论还处于起步阶段,所以,压电材料做驱动装置目前还存在很多技术问题；压电材料在液压阀驱动装置中的应用主要受到压电片变形量小、响应速度慢以及高频工作时噪声严重等缺陷的限制。

参考资料：

[1] 李松晶，阮健，弓永军等. 先进液压传动技术概论 .哈尔滨工业大学出版社，2008年3月.

[2]刘少军，朱梅生，夏毅敏等，压电执行器及其在高响应控制阀上的应用. 机床与液压，1998年10月.