[发明专利]一种同时具备大位移及低滞后的锆钛酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种同时具备大压电位移及低位移滞后的压电陶瓷及其制备方法，属于功能陶瓷材料技术领域。

背景技术

铁电压电材料能实现机械能与电能的相互转化，因此在换能器、传感器及驱动器等领域都有着广泛的应用，^[1]其中，压电驱动器是利用压电材料在电场作用下产生微位移的动作执行器件。压电驱动器具有位移控制精度高、响应速度快、推力大等优点，在民用及国防等诸多领域都有着非常广泛的应用。^[2]

随着技术的进步，压电微位移驱动器的应用范围逐步扩大，如在纳米工程、高精度加工及定位系统中，压电微位移驱动器也有着非常重要的应用。这些系统对压电微位移驱动器有着非常高的要求，如大压电位移、低电压-位移滞后及高线性度等。压电材料在电场作用下会产生位移，但是其位移在电场上升和下降过程中存在不一致的现象，这就是电压-位移滞后。^[3-4]位移滞后的存在会严重降低系统的定位精度。因此，在此类高精度系统中，一般要求位移滞后小于5％。

压电材料的位移滞后是影响压电驱动器精度最重要的因素，因此，各国研究者都在开展大量的研究工作以降低其滞后。目前常用的方法是建立压电驱动器滞后的数学模型，如Presiach模型等，^[5]这些方法需要增加前馈控制系统，增加了系统的复杂性及难度。因此有效的方法仍然是直接降低压电材料本身的位移滞后。目前常用的PZT压电陶瓷，当采用软性掺杂是，其压电常数较高(d₃₃>350pC/N)，但是位移滞后也较大(>15％)；而当采用硬性掺杂时，其位移滞后会明显降低(<10％)，但是其压电常数也大幅度降低(<220pC/N)。^[6-7]如国外常见的低滞后压电材料PZT-8，其压电常数d₃₃为220PC/N，其位移滞后为5-10％。

同时，对于硬性掺杂的压电陶瓷，由于材料中氧空位缺陷浓度较高，在室温极化时由于氧空位钉扎畴壁，导致电畴无法转向，因此此类材料一般需在高温下极化。但是在高温下，此类陶瓷的漏导将急剧增加，导致在高温高电压下陶瓷非常容易击穿。因此，对于此类材料的有效极化也非常困难。

综上所述，目前商用的压电陶瓷材料中，尚未发现同时具有大位移及低滞后的压电材料，同时对于目前常用的低滞后压电陶瓷，其制备工艺也存在诸多的问题。因此，寻找同时具备大位移及低滞后的压电陶瓷材料，并改善其极化等制备工艺仍然是各国研究人员努力的方向。

参考文献：

[1]B.Jaffe,W.R.Cook,andH.Jaffe,PiezoelectricCeramics,AcademicPress,NewYork,1971；

[2]陈大任，压电陶瓷微位移驱动器概述，电子元件与材料，1994，13[1]：2-7；

[3]张涛，孙立宁，蔡鹤皋，压电陶瓷基本特性研究，光学精密工程，1998，6[5]：26-32；

[4]Jonq-JerTzen,Shyr-LongJeng,Wei-HuaChieng,Modelingofpiezoelectricactuatorforcompensationandcontrollerdesign,PrecisionEngineering,2003,27:70–86；

[5]G.Robert,D.Damjanovic,andN.Setter,Preisachdistributionfunctionapproachtopiezoelectricnonlinearityandhysteresis,J.Appl.Phys.,2001,90[5]:2459-2464；

[6]TakaakiTSURUMI,TsutomuSASAKI,HirofumiKAKEMOTO,TakakiyoHARIGAIandSatoshiWADA,DomainContributiontoDirectandConversePiezoelectricEffectsofPZTCeramics,J.J.Appl.Phys.,2004,43[11]:7618–7622；

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发明内容