《Micromachines》：Investigation of Electromechanical Characteristics of Piezoelectric Unimorph Actuators Under Thermal-Vacuum Conditions Relevant to Low Earth Orbit
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摘要：压电单晶片致动器（piezoelectric unimorph actuator）是小卫星精密驱动系统中的理想候选方案，其在真空和温度变化条件下必须保持可预测的机电性能。然而，致动器性能不仅由压电材料决定，还受被动层和键合界面的影响，而这些因素在热真空条
摘要：压电单晶片致动器（piezoelectric unimorph actuator）是小卫星精密驱动系统中的理想候选方案，其在真空和温度变化条件下必须保持可预测的机电性能。然而，致动器性能不仅由压电材料决定，还受被动层和键合界面的影响，而这些因素在热真空条件下的综合作用需要系统评估。本研究对包含PIC 181压电陶瓷片、由7075-T6铝合金或Ti-6Al-4V钛合金制成的被动层以及三种适用于真空环境的键合材料的压电单晶片致动器，进行了温度依赖性机电特性的数值与实验研究。数值分析用于确定253.15–323.15 K温度范围内的模态、阻抗-频率和位移-频率特性，而真空条件下的实验研究则量化了键合界面的额外影响。温度升高导致两种被动层构型的谐振频率均下降。采用Ti-6Al-4V钛合金被动层的致动器通常表现出比采用7075-T6铝合金被动层的致动器更高的谐振频率、更低的阻抗值和更大的位移幅值。在323.15 K时，铝合金基致动器和钛合金基致动器的最大实测位移幅值分别达到23.11 μm和29.67 μm。在所研究的键合材料中，3号键合材料（BM No. 3）始终提供最低的阻抗和最高的位移响应。结果表明，被动层和键合材料的选择应综合考虑，并确定在所测试的热真空条件下，Ti-6Al-4V/BM No. 3组合是所研究构型中最有利于谐振式压电单晶片致动器工作的方案。
论文解读：压电单晶片致动器在低地球轨道热真空条件下的机电特性研究
一、研究背景与问题提出
压电致动器因其高分辨率、快速动态响应、结构紧凑、低功耗以及无需复杂传动机构即可产生可控运动等优势，广泛应用于精密机电系统。在航空航天领域，尤其在小型卫星中，压电致动技术可应用于光学对准系统、波束控制机构、振动控制装置、微定位平台及自适应结构元件等关键功能模块。这些应用场景要求致动器不仅需在实验室条件下保持性能可预测性，还必须在代表轨道运行的环境条件下维持稳定的工作特性。低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）为精密机电系统提供了极具挑战性的运行环境，组件在此环境中暴露于真空、周期性温度变化以及由太阳照射和地影交替引起的热诱导应力。这些环境因素可能影响压电结构的机械刚度、介电性能、阻尼行为和机电耦合特性。由于许多压电致动器在接近其谐振频率的状态下运行以获得高位移幅值和高效能量转换，温度引起的谐振频率、阻抗或位移响应漂移即使适中，也可能降低整个系统的运行稳定性和控制精度。需要指出的是，本研究所指的LEO相关条件特指热真空环境，即高真空和与轨道运行相关的温度变化。
在压电致动器的多种构型中，单晶片致动器（unimorph actuator）是产生弯曲运动最为结构简单且高效的方案之一。典型的单晶片致动器由有源压电层和被动弹性层键合而成。当施加电场时，压电层发生形变，而被动层约束该形变并将诱导的应变失配转化为弯曲位移。因此，单晶片致动器的机电响应不仅由压电陶瓷材料特性决定，还受被动层材料、键合界面、夹持条件以及各键合层之间的热兼容性影响。被动层在定义致动器的刚度-质量比、谐振频率和位移幅值方面发挥重要作用。铝合金和钛合金提供了不同的密度、刚度和热响应行为组合。此外，键合层作为单晶片结构的关键组成部分，其刚度、阻尼能力、固化质量、厚度稳定性和热行为可显著影响谐振和阻抗特性以及位移幅值。在热真空条件下，压电陶瓷、粘合剂和被动层之间的热膨胀系数失配可能使键合界面承受额外应力，因此键合材料不能被简单地视为工艺连接介质，而应视为影响致动器整体机电响应的主动结构因素。
尽管已有研究广泛探讨了压电单晶片致动器的结构设计和动态行为，但被动层特性、粘合剂键合和温度的影响通常被分别考虑。特别是在空间应用相关的真空和温度条件下，被动金属层和键合界面如何共同影响单晶片致动器谐振机电行为的系统性实验数据仍然有限。因此，本研究的创新之处在于对结合两种航空航天相关被动层材料（7075-T6铝合金和Ti-6Al-4V钛合金）与三种不同真空兼容键合材料的压电单晶片致动器，在253.15–323.15 K温度范围和真空条件下进行比较性数值-实验评估。
二、研究内容与结论
研究人员构建了由PIC 181压电陶瓷材料作为有源层、7075-T6铝合金或Ti-6Al-4V钛合金作为被动层的单晶片弯曲致动器。致动器总长55 mm，自由未夹持长度45 mm，单晶片部分宽度10 mm，矩形夹持区宽度20 mm，压电层长度20 mm，压电层和被动层厚度均为0.5 mm。研究开发了专用夹持系统以确保实验过程中边界条件的可重复性，该系统基于L型光学支架可同时容纳三个致动器，实现不同键合材料试件在相同机械和环境条件下的直接比较。
数值研究采用COMSOL Multiphysics 5.6软件建立模型，边界条件为夹持区刚性固定，压电板顶部电极施加80 Vp-p电压幅值，底部电极设置为中性。数值模型中未包含键合材料的几何和材料特性，以表征无键合材料影响的致动器特性。实验研究制备了两组分别采用7075-T6铝和Ti-6Al-4V钛被动层的原型致动器，使用三种不同的真空兼容商用键合材料进行组装，被动层表面平均粗糙度控制在Ra 1.51–2.56 μm范围内，键合预紧力统一为20 N，固化过程按照制造商的温度和时间要求执行。实验在Telsar TVAC3热真空舱中进行，真空度为2×10
-5 mbar（阻抗测量）和2×10
-6 mbar（位移测量），阻抗-频率特性采用SinPhase 16667k阻抗分析仪测量，位移幅值采用Polytec VibroFlex VFX-I-150激光测振仪进行非接触高精度测量。
研究结果表明，数值模态分析显示在293.15 K下，7075-T6铝被动层致动器的第二面外弯曲模态固有频率为3339.8 Hz，Ti-6Al-4V钛被动层致动器为3405.5 Hz。在253.15–323.15 K温度范围内，两种构型的第二面外弯曲模态固有频率均随温度升高而近似线性下降。以293.15 K为参考温度，铝基致动器的最大绝对漂移为38.8 Hz（253.15 K时），钛基致动器为39.4 Hz（253.15 K时）。阻抗-频率特性计算结果显示谐振频率随温度降低而升高、随温度升高而降低，铝基致动器谐振频率从253.15 K的3378.30 Hz变化到323.15 K的3310.20 Hz，总变化68.10 Hz；钛基致动器从3444.80 Hz变化到3375.50 Hz，总变化69.30 Hz。谐振处阻抗值也表现出强温度依赖性，铝基在253.15 K时增加174.12 Ω（+8.89%）、323.15 K时减少116.98 Ω（?5.97%），钛基分别变化+137.90 Ω（+9.05%）和?92.30 Ω（?6.06%）。位移-频率特性计算结果显示位移幅值随温度升高而增大，铝基致动器从253.15 K的30.71 μm变化到323.15 K的34.82 μm，钛基从43.80 μm变化到48.66 μm，相对漂移分别为?5.83%至+4.51%和?5.87%至+4.58%。
实验研究方面，真空中不同温度条件下，两组致动器的第二弯曲模态谐振频率均随温度升高而下降，但幅度和特征因试件和被动层材料而异。钛被动层致动器谐振频率整体较高且温度依赖性较平缓，铝被动层致动器谐振频率较低且高温下下降更明显。谐振处阻抗方面，两种被动层组中BM No. 3键合致动器均表现出最低阻抗值，钛基组从253.15 K的4134 Ω降至283.15 K最小3906 Ω再升至323.15 K的4235 Ω；铝基组从4783 Ω降至4555 Ω再升至4884 Ω。BM No. 1键合致动器阻抗最高。位移特性方面，真空条件下所有致动器的位移幅值随温度降低而减小，钛被动层致动器在整个温度范围内位移幅值均高于铝被动层致动器。铝基致动器中BM No. 3键合在323.15 K达到最大位移23.11 μm，BM No. 1键合在253.15 K测得最小位移6.74 μm；钛基致动器中BM No. 3键合在323.15 K达到29.67 μm，BM No. 1键合在253.15 K为8.52 μm。
三、研究意义
本研究的主要进展在于证明了压电单晶片致动器的热真空响应不能仅归因于压电陶瓷或被动层材料，键合界面在谐振阻抗和位移方面引入了大量额外贡献，且其影响在研究的温度范围内持续存在。通过在相同热真空和激励条件下对采用两种被动层材料和三种键合材料制造的相同致动器进行比较，本研究提供了一个无法从独立考虑被动层或键合界面的分析中获得的材料选择框架，为热真空环境下谐振式压电单晶片致动器的材料选型提供了实验依据。研究发表于《Micromachines》。
