一种压电驱动的三足爬行机器人

机器人领域涉及到力学、机械、材料、控制、电子和计算机等多个学科. 其中, 爬行机器人可在极端环境下工作, 进而可有效降低人工作业的危险性并提高工作效率. 因此, 爬行机器人一直是机器人领域的重点研究对象. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的新型功能陶瓷材料. 逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场, 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力, 当外加电场撤去时, 这些变形或应力也随之消失. 本文基于压电陶瓷的逆压电效应设计了一种由3条弯曲变截面梁支撑的一体化三足爬行机器人. 利用理论力学方法对该三足爬行机器人建立整体受力分析方程, 再用哈密顿原理对变截面、变角度梁建立动力学方程, 最终得到了可求解该三足爬行机器人的压电驱动腿固有频率的方程. 设计并制作了三足爬行机器人实物, 通过实验测试了不同弯折角度、不同驱动频率、不同负载、不同电压波形对运动方向及运动速度的影响. 最后利用不对称的驱动电压使三足爬行机器人实现了左转、右转以及不加导轨的近似直线运动, 实现了设计的3个方向的运动, 最后分析了该机器人的能耗问题. 该研究可为微型爬行机器人设计和实验提供参考依据.      

高居里温度铁电单晶PIN-PT的机电性能

弛豫铁电单晶Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-PbTiO₃(PIN-PT)相较于常用的Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)具有更高的居里温度,在高稳定性、高性能的传感器、换能器方面具有应用前景。本工作采用谐振法研究了[001]方向极化的0.66PIN-0.34PT铁电单晶的全矩阵机电性能参数。0.66PIN-0.34PT 单晶的三方-四方相变温度(T_RT)约为160 ℃,居里温度(T_C)约为260 ℃,室温压电系数d₃₃、d₃₁、d₁₅分别为1 340 pC/N、-780 pC/N、321 pC/N,介电常数ε^T₃₃、ε^S₃₃、ε^T₁₁、ε^S₁₁分别为2 700、905、2 210、1 927,机电耦合系数 k₃₃、k₃₁、k₁₅、k_t分别为 87%、58%、38%、61%。其纵向压电常数(d₃₃)和纵向机电耦合系数(k₃₃)小于 PMN-PT 单晶,但是横向压电性能(d₃₁)和剪切压电性能(d₁₅)都略高于PMN-PT单晶。另外,研究了机电耦合性能随温度的变化趋势,发现0.66PIN-0.34PT单晶在150 ℃以下有较好的温度稳定性。     

HgCdTe薄膜的输运特性及其应力调控

窄禁带直接带隙半导体材料碲镉汞(Hg1–xCdxTe)是一种在红外探测与自旋轨道耦合效应基础研究方面都具有重要应用意义的材料.本文对单晶生长的体材料Hg0.851Cd0.149Te进行阳极氧化以形成表面反型层,将样品粘贴在压电陶瓷上减薄后进行磁输运测试,在压电陶瓷未加电压时观察到了明显的SdH振荡效应.对填充因子与磁场倒数进行线性拟合,获得样品反型层二维电子气的载流子浓度为ns=1.25×10^16m^-2.在不同磁场下,利用压电陶瓷对样品进行应力调控,观测到具有不同特征的现象,分析应是样品中存在二维电子气与体材料两个导电通道.零磁场下体材料主导的电阻的变化应来源于应力导致的带隙的改变;而高场下产生类振荡现象的原因应为应力导致的二维电子气能级的分裂.     

微波烧结氮化硅基复合陶瓷刀具材料摩擦特性研究

采用微波烧结技术制备了一种氮化硅基复合陶瓷刀具材料,研究了其与三种不同属性的硬质材料(氮化硅、硬质合金和GCr15轴承钢)在不同载荷下对摩时的摩擦特性与磨损机理.研究结果表明:当与氮化硅对摩时,磨损率最大且磨损率随载荷增大急速升高,磨损主要以脆性剥落形式存在;当与硬质合金对摩时,摩擦系数最小,随载荷增加磨损机理由磨粒磨损转变为磨粒磨损与疲劳磨损共同作用.当与轴承钢对摩时,磨损率最小,因在摩擦过程中在磨痕表面形成金属黏着,其磨损率随载荷的增大而减小.与商业的氮化硅陶瓷刀具材料相比,微波烧结氮化硅陶瓷刀具材料摩擦系数略有降低,磨损率降低了14.17%～59.49%.     

喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的热特性仿真分析及实验研究

为分析喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的热特性,设计用于冷却复合陶瓷薄片的喷流冷却系统.利用湍流换热理论和计算流体动力学仿真方法建立喷流冷却复合陶瓷薄片激光器的流固耦合热仿真模型,定义评价其冷却能力和冷却均匀性的定量参数.根据该仿真模型得到喷流冷却系统的最优设计参数,并进行实验验证.使用163孔喷板,流量为0.2kg/s,入口温度为20℃,在1200 W泵浦时获得359 W激光输出功率,并测得复合陶瓷薄片上表面的最高温度为92℃.激光输出功率与复合陶瓷薄片上表面温度均与泵浦功率呈近似正线性关系,且温度的实验值与仿真值相符度较高.     

中红外激光陶瓷的研究进展与展望

波段为2～5tμm的中红外激光在国防、医疗、通信等方面有着特殊的重要应用,而直接产生中红外激光的增益介质主要包括气体激光介质、半导体、稀土离子或者过渡金属离子掺杂的化合物.本文首先介绍应用于中红外波段的发光离子(包括Tm3,Ho3+,Er3+等稀土离子和Cr2+,Fe2等过渡金属离子)光谱特性,然后重点介绍氧化物(包括石榴石和倍半氧化物)和Ⅱ-Ⅵ族化合物(主要是ZnS/ZnSe)两大类中红外激光陶瓷材料的制备与激光性能.最后,对这两大类中红外激光陶瓷中存在的问题进行了分析,并对其发展方向进行了展望.     

高应变率下多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性力学行为

采用添加造孔剂的方法制备了4种不同孔隙率的未极化PZT95/5铁电陶瓷。采用基于超高速相机与数字图像相关性方法的试样全场应变测量技术以及分离式霍普金森压杆（SHPB）技术，对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷进行高应变率单轴压缩实验研究。全场应变测量结果显示:轴向应变仅在试样中部分布较均匀，将该区域的平均应变作为应力-应变关系中的试样应变测量值较为合理，而由SHPB原理计算的试样应变值明显偏大，需要摒弃或修正传统的SHPB数据处理方法。通过波形整形技术实现了恒应变率加载，弱化了径向惯性效应的影响，揭示出多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的压缩强度具有显著的应变率效应。通过分析试样轴向应变和径向应变随着加载应力的变化，阐明多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性变形行为的物理机制是畴变和相变共同作用，并发现畴变临界应力和相变临界应力都随着应变率升高而增大。保持加载应变率不变，讨论了孔隙率对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷动态力学行为的影响，发现随着孔隙率的升高，动态压缩强度呈非线性衰减，而畴变临界应力和相变临界应力则基本呈线性衰减。     

激光熔覆Al2O3/Fe901复合涂层的强化机制及耐磨性

为提高金属材料表面涂层的耐磨性,采用激光熔覆工艺制备了Al_2O_3增强Fe901金属陶瓷复合涂层,研究了Al_2O_3陶瓷增强相对Fe基熔覆层组织与性能的影响。利用扫描电镜和X射线衍射仪检测了复合涂层的微观组织和物相;采用显微硬度仪和摩擦磨损试验机分析了复合涂层的显微硬度与耐磨性。结果表明:Fe901涂层的组织以柱状枝晶和等轴枝晶为主,添加的Al_2O_3可促使涂层组织转变为均匀的白色网状晶间组织及其包裹的细小黑色晶粒;复合涂层中的Al_2O_3陶瓷颗粒表面发生微熔,与Fe、Cr结合生成Fe3Al及(Al,Fe)4Cr金属间化合物,起到增加Al_2O_3陶瓷颗粒与金属黏结相结合强度的作用;当Al_2O_3陶瓷颗粒的质量分数为10%时,复合涂层的显微硬度较Fe901涂层增加了16.4%,复合涂层的摩擦磨损质量损失较Fe901涂层降低了50%;添加适量的Al_2O_3陶瓷有助于提高涂层的显微硬度及耐磨性。     

陶瓷基功能材料载体纤维增强效果及机理

以陶瓷基功能材料载体为研究对象,按照其生产工艺配方,研究了纤维种类(莫来石、氧化铝、氧化锆)及其添加量对陶瓷基功能材料载体性能的影响.在相同实验条件且不影响其功能化参数前提下,将其与未添加纤维的空白试样力学性能进行对比.结果表明,试样经1200℃烧成后,相比莫来石与氧化铝纤维增强的陶瓷基功能材料载体,氧化锆纤维的增强效果最好.当氧化锆纤维的添加量为0.8 wt;时,试样的吸水率和气孔率均较低,分别为2.0;、4.0;,相比空白对比试样抗折强度增强了42.4;.