[发明专利]一种压电材料及其制备方法以及一种多层致动器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种压电材料及其制备方法以及一种多层致动器及其制备方法。所述压电材料的化学通式为xBiScO₃‑(1‑x)PbTiO₃‑yCaTiO₃，其中，x和1‑x分别表示BiScO₃和PbTiO₃组分的摩尔比例，y表示CaTiO₃的摩尔比例，0.35≤x≤0.38，0.005≤y≤0.03。本发明所述压电材料可在低于950℃的温度下烧结成高密度的陶瓷，且具有良好的压电性能和大于400℃的居里温度；可低温与银共烧制备多层陶瓷致动器，能够有效控制致动器的生产成本，在压电陶瓷致动器领域具有巨大的潜在应用。

技术领域

本发明属于压电材料技术领域，涉及一种压电材料及其制备方法以及一种多层致动器及其制备方法。

背景技术

压电致动器是利用压电材料的逆压电效应制成的一类驱动器件。逆压电效应是指当在压电材料的极化方向施加电场时，压电材料会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。压电致动器因其体积小、驱动位移大、驱动电压低等优点被广泛应用在精密驱动、微电子等行业。然而，随着石油、发动机、航空航天等行业的发展，人们需要在超过200℃甚至更高的温度下使用压电器件。而退极化效应通常限制了压电陶瓷只能在居里温度(Tc)的一半以下温度范围内正常工作。因此，如锆钛酸铅(PZT)等居里温度较低(Tc400℃)的压电材料已经无法满足高温下的使用需求，人们需要寻找到一种压电性能优异的高居里温度压电材料。

钪酸铋-钛酸铅(BSPT)压电材料于2001年被首次制备出，它可以同时满足高居里温度和高压电性能的要求，因此备受研究者们青睐。科研工作者们在BSPT取代、固溶、掺杂以及工艺改进等环节，逐步拓展出了一系列BSPT体系的高温压电材料。如CHEN J G等人在BSPT中引入Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃组元，仍然可以维持居里温度T_c在400℃以上，和纯BSPT相比，虽然压电常数降低了一些，但是显著提高了机械品质因数，并且在室温到350℃范围内，保持k_p相对稳定(CHEN J G,CHENG J R.Structure,dielectric,and piezoelectricproperties of(0.97–x)BiScO₃-xPbTiO3-0.03Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃high temperature andhigh power piezoelectric ceramics.2014.New York:IEEE,2014:1-4.)。专利CN103936412A也公开了一种铌锡酸铅-钪酸铋-钛酸铅三元系高温压电陶瓷材料，该材料同时具有较高的压电常数(d₃₃＝555pc/N)和高居里温度(T_c＝408℃)。然而，BSPT体系的烧结温度较高，一般需要在1000℃以上的温度才能烧结成致密的陶瓷，过高的烧结温度除了会导致铅、铋元素的挥发影响材料性能之外，还会给压电器件的成本和制备带来困难。

目前制备多层压电致动器最常用的方法就是将压电材料与有机溶剂混合，经流延成膜片，然后将多个压电膜片与内电极组成的压电单元叠层共烧即可得到多层压电陶瓷致动器。致动器的内电极一般采用Pt、AgPd或Ag电极。然而，Pt和AgPd电极价格昂贵会使得生产成本大大增加，但廉价的Ag电极的熔点较低(961℃)，若要降低生产成本就必须将压电材料的烧结温度控制在950℃以下。因此，寻找到一种可在950℃以下烧结且具有高居里温度的压电材料成为目前亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种压电材料及其制备方法以及一种多层致动器及其制备方法。本发明提供的压电材料可以在950℃以下烧结致密，且具有高居里温度和高压电常数。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：