[发明专利]一种制备高性能铋基无铅压电驱动器的方法

说明书

本发明公开了一种制备高性能铋基无铅压电驱动器的方法。该高性能铋基无铅压电驱动器是基于Bisubgt;0.5/subgt;Nasubgt;0.5/subgt;TiOsubgt;3/subgt;(BNT)基为材料体系，与内电极共烧而成的多层器件。通过调整匹配BNT基材料体系、驱动器的陶瓷层厚以及内电极类型使得驱动器物相处在弛豫铁电共存区间。通过该方法获得的高性能铋基无铅压电驱动器与处在弛豫铁电共存区间的材料体系(块体陶瓷)性能接近，其中BNT‑ST体系压电驱动器在低于2.5kV/mm的电场下能达到目前商用驱动器的应变性能(≥0.15％)，达到实际应用要求。

所属技术领域

本发明涉及电子陶瓷与元器件技术领域，具体涉及一种制备高性能铋基无铅压电驱动器的方法。

背景技术

多层压电驱动器基于压电陶瓷的场致应变特性可实现电场下的精密位移，并具有亚纳米级的分辨率、毫秒级的响应速率、高输出力等优势，因此被广泛应用于精密微动平台、压电点胶、燃油喷射器以及能动光学等领域。多层压电驱动器基是由陶瓷层与金属内电极层共烧而成的多层结构器件。

目前实用的压电驱动器基均为含铅的锆钛酸铅PZT体系(铅含量超过60％)，考虑其中氧化铅对环境的危害性，欧盟、日本及中国等陆续制定了对含铅电子元器件的限令，我国在新材料产业规划中也明确提出要大力发展无铅绿色陶瓷材料。基于此，无铅压电陶瓷成为研究热点。BNT基体系因其铁电相与弛豫相的相互转变产生大应变性能，故最有潜力替代铅体系在压电驱动器中实现应用。目前BNT基材料体系的部分性能已经接近或者已经超过铅基材料体系，但制备的BNT基压电驱动器器件性能明显低于材料体系，难以满足实际应用要求。

我们前期的研究获得了BNT-0.26ST-Li₂CO₃陶瓷在4kV/mm的电场下应变性能为0.25％，而研制的驱动器应变性能降低为0.2％(Journal of the European CeramicSociety 37(2017) 4617-4623)。存在着压电驱动器的应变性能较陶瓷均有下降，BNT基压电驱动器低场下的应变性能还需要进一步提升等亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有铋基无铅压电驱动器比对应的压电陶瓷材料(块体陶瓷)的应变性能偏低，难以满足工程应用问题，提供一种BNT基驱动器获得与同材料体系接近的高应变性能的方法，应用于电子元器件领域。

本发明采用的技术方案为：一种制备高性能铋基无铅压电驱动器的方法，材料组分是以 Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)为基础的材料体系，通过调整匹配BNT基材料体系、驱动器的陶瓷层厚以及内电极类型使BNT基驱动器的物相处在弛豫铁电共存区间。

进一步地，BNT基驱动器选择材料体系较块体陶瓷需要选择铁电相含量更高的BNT基体系，驱动器的陶瓷层厚越薄时选择匹配的材料体系的物相中铁电相含量需越高；同时需要根据驱动器内电极的类型选择不同的材料体系和驱动器的陶瓷层厚。

进一步地，BNT基体系为：BNT-ST(Bi_0.5Na_0.5TiO₃-SrTiO₃)、BNT-BKT(Bi_0.5Na_0.5TiO₃-Bi_0.5K_0.5TiO₃)、BNT-BT(Bi_0.5Na_0.5TiO₃-BaTiO₃)或其他以BNT基为基础的在弛豫铁电共存区间获得大应变的体系。