Термомеханические актюаторы для систем микроперемещений в условиях открытого космического пространства (1026304), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Баумана.Основной практической ценностью работы является возможность созданияфункционально законченных систем на основе термомеханических актюаторов,позволяющих при меньших размерах и большей надёжности решатьаналогичные существующим системам задачи в условиях открытогокосмического пространства.Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VII иVIII всероссийских научно-практических конференциях «Микротехнологии вавиации и космонавтике» (г. Москва, 2009, 2010 гг.); II и IV всероссийскихнаучно–технических конференциях «Актуальные проблемы ракетнокосмического приборостроения и информационных технологий» (г. Москва,2009, 2011 гг.); III международной конференции с элементами научной школыдля молодёжи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества»(г.
Суздаль, 2010 г.); международном форуме «Дорога к звёздам» (г. Королёв,2011 г.); XIV молодёжной международной научно-технической конференции«Наукоёмкие технологии и интеллектуальные системы – 2012» (г. Москва,2012 г.);XVЮбилейноммеждународномСалонеизобретенийи инновационных технологий «Архимед-2012».Работа отмечена серебряной медалью XV Юбилейного международногоСалона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2012» истипендией Президента РФ.Публикации. По материалам и основному содержанию работыопубликованы 12 научных работ в научно-технических журналах и трудахконференций, из них 4 научные работы опубликованы в рецензируемыхизданиях, рекомендованных ВАК, оформлено 3 заявки на патент РФ наизобретение, получившие положительное решение о выдаче патента, получен 1патент РФ на изобретение.
Результаты работы отражены в 5 научных отчётах,выполненных в ОАО «Российские космические системы» при участии автора.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырех глав с выводами, заключения и списка литературы. Материалыдиссертации изложены на 198 страницах, включая 105 рисунков, 6 таблиц исписок литературы из 60 наименований.6СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность решения поставленных в диссертациизадач и научная новизна, показаны цели работы.
Рассмотрены основныеобласти применения объекта исследования. Кратко описаны основныетрудности, возникающие при исследованиях термомеханических актюаторов ивозможности по улучшению их характеристик.В первой главе проведён сравнительный обзор известных конструктивныхвариантов и принципов действия микросистемных актюаторов. Предложенаклассификация актюаторов и приведены наиболее значимые иххарактеристики.Для электростатических актюаторов положительным является скорость ихфункционирования (до 5 кГц), но небольшие перемещения и усилия, а такжевысокое напряжение срабатывания и нелинейность рабочих характеристикотносятся к их недостаткам. Магнитные актюаторы малочувствительны квлажности и пыли, хорошо подходят для устройств, в которых присутствуютбольшие токи и напряжения, дают большие перемещения подвижного элементаактюатора и обладает значительными усилиями, но при их изготовлениисуществует ограничения по выбору магнитного материала, к тому жетрёхмерные обмотки очень тяжело изготовить на микроуровне, актюаторыпотребляют большое количество энергии и рассеивают много тепла.Пьезоприводы обладают высоким коэффициентом полезного действия ибыстродействием, но очень малыми величинами перемещения и большимзначением управляющего напряжения.Основным недостатком термомеханических актюаторов является их низкоебыстродействие и коэффициент полезного действия.
При этом во многихзадачах это компенсируется одними из самых высоких усилий и величиндеформаций (порядка 50%). Микроробототехнические устройства дляиспользований в условиях открытого космического пространства, на которыхпланируется применение разработанных актюаторов, требуют, прежде всего,стабильных характеристик исполнительного элемента, высоких усилий,широкого диапазона деформаций, необходимых для перемещений объектов, атакже простой групповой технологии их изготовления. Всем этим параметрамнаиболее полно удовлетворяет термомеханический тип актюатора с Vобразными полиимидными канавками, который и был выбран в качествепредмета исследования и разработки.Во второй главе проведено моделирование работы термомеханическогоактюатора.
Результатом построения аналитической тепловой модели сталасистема из двух дифференциальных уравнений, описывающая процессытеплообмена внутри структуры актюатора. Решением системы являетсяследующее выражение:⎛h ⎞⎟ ⋅ (1 + σ э. ср / σ дз. э )( N − 1) ⋅ U 2 ⋅ h ⋅ ⎜⎜ aкр1 +tg 54,74 ⎟⎠⎝ϑдз (τ ) =⋅ [1 − exp(− 0,175 ⋅ τ )]ρ Si ⋅ b ⋅ σ дз. ср + σ э. ср ⋅ (1 + σ дз. ср / σ дз.
э )[]7(1)где U – напряжение питания актюатора,N – количество полиимидных вставок,h – толщина актюатора,aкр1 – ширина верхней грани кремниевого резистора,b – ширина актюатора,σ – тепловые проводимости между элементами актюатора и окружающейсредой.Определив температурное распределение возможно найти и отклонениехвостовика актюатора от первоначального положения:⎡ ⎛⎛⎛γ ⎞⎞⎞γ ⎞ ⎞⎤⎛⎛∆γ (τ ) = 2 ⋅ N ⋅ ⎢atg⎜⎜ (α ⋅ ϑдз (τ ) + 1) ⋅ ⎜⎜ 2 ⋅ tg ⎜ 35,26 − 0 ⎟ ⎟⎟ ⎟⎟ − atg⎜⎜ 2 ⋅ tg ⎜ 35,26 − 0 ⎟ ⎟⎟⎥ (2)2 ⋅ N ⎠⎠⎠2 ⋅ N ⎠ ⎠⎥⎦⎝⎝⎢⎣ ⎝⎝⎝где α – температурный коэффициент линейного расширения полиимида,входящего в состав актюатора.Таким образом, показано, что деформационные характеристикитермомеханического актюатора зависят от значения температуры нагретойзоны, количества канавок и от характеристик деформируемого материала вканавках.
В свою очередь, температуру нагретой зоны определяют временныесоставляющие, характеристики подаваемого электрического сигнала,геометрические параметры актюатора и параметры теплообмена с окружающейсредой. В то же время такой параметр, как глубина залегания полиимида вканавке при прочих равных условиях оказывает не существенное влияние наего деформационные характеристики. Ширина актюатора влияет в большейстепени на электрические характеристики кремниевых резисторов и присопоставимых значениях мощности тоже не оказывает существенного влиянияна деформацию актюатора, сказываясь лишь на его силовых характеристиках.Численная модель электро-термо-деформационных процессов при работеактюатора составлена в программном комплексе конечно-элементного анализаANSYS. Определено распределение температуры при работе актюатора отэлектрического напряжения.
Установлены значения перемещений и нагрузокактюатора заданного типоразмера при напряжении в 10 В и при различныхвнешних температурных воздействиях. Установлены значения возникающих вструктуре актюатора механических напряжений, показано, что максимальныенапряжения локализованы в месте закрепления актюатора. Результатыпроведенныхрасчётовмоделиподтвердилиработоспособностьтермомеханического актюатора в условиях жёсткого температурноговоздействия, в том числе и соответствующим условиям открытогокосмического пространства. Определено значение нагрузки в 1,3 мН,соответствующее массе, которую способен выдержать актюатор при работе отнапряжения 10 В.Результатом параметрических расчётов стало определение влиянийэлектрического напряжения, температурного и силового воздействия навыходныехарактеристикиактюатора.Спомощьюполученнойпараметрической модели проанализировано влияние размеров актюатора,8глубины залегания полиимида, количества канавок, содержащих полиимид,а также используемых материалов и других факторов на исследуемыехарактеристики (перемещение, нагрузки, температурное взаимодействие,внутренние напряжения в структуре) как в статике, так и в динамике.Установлена зависимость, определяющая степень влияния температурногокоэффициента линейного расширения полиимидного слоя на работутермомеханического актюатора.В третьей главе подробно рассмотрена конструкция термомеханическогоактюатора и принцип его работы.
Определены наиболее подходящиематериалы, используемые при изготовлении термомеханических актюаторов.Приведены основные технологические операции, применяемые на этапеизготовления актюаторов.На рисунке 1 представлена конструкция предложенного актюатора.Отличительными признаками конструкции является применение V-образныхканавок, выполненных в кремнии, заполненных термостойким полимером полиимидом, и предназначенных для обеспечения многократной деформацииконструкции под действием температур. Деформация происходит за счётразницы в значениях температурных коэффициентов линейного расширенияполиимида и кремния, входящих в структуру.
При нагреве каждая изтрапециевидных полиимидных вставок испытывает деформацию, причёмверхняя грань в абсолютном значении расширяется больше, чем нижняя, аграница кремний-полиимид остаётся неподвижной, благодаря чему ипроисходит изгиб балки актюатора. Нагрев происходит за счётсформированных на нижней поверхности резисторов, либо за счёт резисторов,сформированных из кремниевых вставок. Во втором варианте значительноупрощается технология и увеличивается надёжность системы в целом.абРисунок 1 - Термомеханический актюатор (а) и его фотографии (б)Таким образом, в качестве материалов для изготовления термомеханическихактюаторов выбраны следующие: кремний как основной структурный слой икак резистивный слой, полиимид как слой, обеспечивающий деформацию9актюатора, и алюминий, образующий слой проводников, обеспечивающихподачу питания на резисторы.Проанализированыприменяемыеметодикипоисследованиютермомеханических актюаторов, составлены сравнительные таблицыразличных методов изучения деформационных и силовых характеристик.Выбраны наиболее предпочтительные варианты, позволяющие с большойточностью, достоверностью и стабильностью проводить измерения имаксимально продуктивно использовать эти результаты в научноисследовательской деятельности.
Результатом выбора стали следующиеметоды:- метод измерения деформаций термомеханических актюаторов длиной (250) мм c частотой (0 – 30) Гц при воздействии температур от 123 до 583 К,основанный на применении гониометрического метода, обеспечивающегоизмерение величины деформации по углам отклонения до 180±0,05 градусовотносительно базовой линии с погрешностью 0,24 градуса. Методика такжепозволяет рассчитывать температурный коэффициент линейного расширенияприменённого полиимида с погрешностью 4,2 % и коэффициент деформации,характеризующий конструкцию термомеханического актюатора.
Формула дляопределения температурного коэффициента полиимида представлена ниже:⎛γ0 ⎞γ ⎞⎛⎛⎜ cos⎜ 35,26 −⎟±⎟ ⋅ cos⎜ 35,26 −2n ⎠2n ⎠1 ⎜⎝⎝α=⋅γ ⎞∆T ⎜⎛⎜⎜cos⎜ 70,52 − 0 ⎟n ⎠⎝⎝γ0 ⎞γ ⎞ ⎞⎟γ ⎞⎛⎛2⎛± cos 2 ⎜ 35,26 −⎟ − cos⎜ 70,52 − 0 ⎟⎟ ⋅ cos ⎜ 35,26 −⎟2n ⎠2n ⎠n ⎠⎝⎝⎝− 1⎟γ ⎞⎛⎟cos⎜ 70,52 − 0 ⎟⎟n ⎠⎝⎠(3),где γ 0 – угол отклонения актюатора при начальной температуре, град.,γ – угол отклонения актюатора при заданной температуре, град.,n – количество канавок в конструкции актюатора, шт.,∆T – диапазон изменения температуры, К;- метод измерения силовых характеристик балок термомеханическихактюаторов, подвергнутых воздействию контролируемой нагрузки в диапазонеот 0,1 мН до 2,15 Н, позволяющий оценивать нагрузочную способностьактюаторов с погрешностью 2,3%;- метод многоцикловых усталостных испытаний балок термомеханическихактюаторов при заданной температуре и частоте, позволяющий судить ожизнеспособности актюаторов и стабильности их характеристик в процессеэксплуатации и оценивать влияние «старения» материалов балок на этихарактеристики;- метод исследования тепловых и электрических характеристиктермомеханических актюаторов, в том числе в условиях пониженного10атмосферного давления в диапазоне от 1 атм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
