[发明专利]一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器

说明书

本发明涉及一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，所述织构化高温压电陶瓷具体包括<001>晶向的PbTiO₃模板晶体材料、钪酸铋钛酸铅高温压电基体材料；所述钪酸铋钛酸铅高温压电基体材料的通式为xBiScO₃‑(1‑x)PbTiO₃，并且0.3≤x≤0.5；所述多层陶瓷致动器的制备流程包括：先制备出高温煅烧的钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷粉体，然后将钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷粉体、PbTiO₃模板晶体材料和CuO助烧剂混合，并利用流延技术制成压电陶瓷膜片，经叠片、热压、排胶、烧制等工艺，最后引出外电极进行极化，即可得到该织构化多层陶瓷致动器。所述的基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器适用于25℃至280℃的工作温度范围，且在200V驱动电压下的应变量最高可达3.84‰。

技术领域

本发明属于压电陶瓷致动器技术领域，具体涉及一种织构化、耐高温的多层压电陶瓷致动器及其制备方法。

背景技术

多层压电陶瓷致动器由于具有位移精度高、响应速度快以及推力大等特点，已经广泛应用于激光光路调整、机床伺服刀头位移控制等精密加工领域。多层压电陶瓷致动器的核心是压电陶瓷，利用压电陶瓷的逆压电效应，在多层压电陶瓷致动器上施加电压后产生位移和一定的推力，且位移精度可达到nm级别，推力可达到数kN。目前关于压电致动器的研究最具代表性的是PZT基压电陶瓷，然而，其居里温度一般仅为300～360℃，限制了它们在航空航天、石油化工等高温领域的应用。

2001年，Eitel等人首次提出了铋系高温压电陶瓷体系，他在研究中指出，BiScO₃-PbTiO₃二元固溶体中，MPB位于PT含量64mol％处，材料的压电常数d33＝460pC/N，机电耦合系数kp＝0.56，与传统的PZT基压电陶瓷相当，并且具有450℃的居里温度(Eitel R E,Randall C A,Shrout T R,et al.Jpn J Appl Phys,2001,40(10):5999-6002)，因此在高温领域具有良好的应用前景。目前的研究中几乎都采用的是掺杂技术来调控材料的组分进行应变的提升，然而其性能还是会受到烧结过程中晶界、缺陷等的限制，很难有大的突破，这也限制了以钪酸铋钛酸铅压电陶瓷材料为基的致动器的位移。压电陶瓷材料的织构化的是改善其性能的另一个有效途径，通过一定的技术调控其内部微观结构，使陶瓷材料在烧结过程中晶粒沿着某些特定方向进行规则排列，从而达到近似单晶的性能。然而，钪酸铋钛酸铅陶瓷的烧结温度一般在1100℃左右，成本较低的银电极熔点为961℃，采用高温烧结会大幅度增加生产成本，不利于商业化的应用。因此我们采用添加CuO烧结助剂的方式，既简化了烧结程序，还丰富了内电极的种类，大大的优化了生产工艺，降低了生产成本。

模板晶粒生长技术是一种常见的陶瓷织构技术，它的原理是将具有各项异性的模板晶粒均匀、定向地分布在致密的基体粉体中，在高温烧结时通过模板诱导陶瓷晶粒沉积在其表面而最终获得晶粒定向生长的织构化陶瓷。该技术使用到的流延技术可与多层压电陶瓷致动器流延制作生片相结合，将基体陶瓷粉体、模板晶体和低温助烧剂共同分散到有机溶剂中，既可以保证模板晶体材料均匀的分布在基体材料中又能够得到目标流延生片，缩短制作周期的同时又可以提高压电性能。并且，相同尺寸的多层压电陶瓷致动器，使用织构化压电陶瓷材料制备的致动器具有更大的位移，也就意味着在需要的工作位移相同的条件下，使用织构化压电陶瓷材料的致动器可以具有更小的尺寸，因此对于微型马达、微型电机、微型机器人等微型集成化行业具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器及其制备方法。本发明提供的织构化高温压电陶瓷的织构度可达到90％以上，基于该织构化压电陶瓷的致动器在200V驱动电压下的室温应变量可达到3.5‰，并且适用于25℃至280℃的工作温度范围，是一种可用于高温环境、能够产生大位移的压电陶瓷器件，具有很好的应用前景。此外，低温助烧剂的加入使烧结温度降低至950℃以下，实现了陶瓷层与银电极的良好共烧，一定程度上降低了生产成本。