[发明专利]驱动器用含铌锑酸铅的五元系压电陶瓷材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及到用于压电器件或电致伸缩器件。

背景技术

压电材料是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。它是一种具有压电效应的材料。它可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用，而且新一代的压电材料还具有条件反射和指令分析的能力。压电材料的这种独特功能，使其在智能材料系统中具有更广阔的应用前景。

近些年来，压电材料在汽车技术领域中的应用也越来越多，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。其中，压电陶瓷具有响应快、制造简单、能量密度高、易于控制等特点，是制备驱动器的理想材料。其主要用于电动后视镜、电动门窗、电动座椅、制动片的驱动等。当采用压电驱动器或压电电机驱动时，可大大减小电机的体积，且具有控制精度高、不受电磁干扰、无噪声等优点；特别是，压电驱动器或压电电机可直接用于直线驱动控制，无需将旋转运动转换成直线运动的转换机构。各种压电驱动器已经在智能材料结构、减震降噪系统、MEMS系统中得到了广泛地应用，尤其在智能材料结构中，其作用不可替代，常被用来实现结构的机械动作，从而改变整个智能结构的形状、刚度、固有频率、阻尼等特性。因此，驱动器研究的深入，将大大促进其相关应用领域的进展。

目前先进的柴油喷射技术采用电子共轨喷射系统，采用压电陶瓷驱动器取代喷油器电磁执行器，喷油嘴针阀的数量由4个减少到1个，运动质量减少75％。压电驱动器启闭速度小于万分之一秒，比电磁开关所需要的时间少50％。喷油系统的喷射压力已从160MPa提高到180MPa，并进一步将喷射压力提高到200MPa，喷射过程完全可调，可以实现任意次分段喷射，每次循环最多可实现5～7次分段喷射。采用这种压电控制技术的喷油器之后，具有反应灵敏、控制自由度高的优点，燃油喷射量的控制精度可大大提高，同时针阀的开启、关闭速度也大大加快，使其降低了燃油量，减少了噪音污染。驱动器的研究又依赖于驱动材料的研究，压电驱动器是在谐振状态下工作的，其振子应满足产生尽可能大的位移，要求其具有高的压电常数d₃₃；要获得高的转换效率，则机电耦合系数K_p要大。因此，压电驱动器必须同时具有高压电常数d₃₃和高机电耦合系数K_p的电性能。

目前，研究工作主要集中在三元系和四元系的压电陶瓷材料上，如：PMS-PZT、PMN-PZT、PZN-PMS-PZT、PNW-PMN-PZT。但研究五元系并同时获得高d₃₃、高K_p的体系尚不多见。Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃-Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PZT体系具有优良的压电特性，Pb(Sb_1/2Nb_1/2)O₃是一类具有较高介电常数的弛豫铁电体。因此本工作旨在将Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃-Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PZT与Pb(Sb_1/2Nb_1/2)O₃复合，研究一种具有优良压电性能的新五元系压电陶瓷Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃-Pb(Sb_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PZT(PMWSN-PNN-PZT)。通过深入探讨Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃含量、Zr/Ti比和Pb(Sb_1/2Nb_1/2)O₃含量、温度稳定性及烧结保温时间和烧结温度变化对PMWSN-PNN-PZT体系陶瓷性能的影响，从而寻找一个最佳组份和制备工艺，以制备同时具有高d₃₃和高K_p的压电陶瓷驱动器用材料。

发明内容