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
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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]
[0003] 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。 [34]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 %。
[0004] 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（d 33>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（<1〇%)，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d 33为220PC/N，其位移滞后为 5-10%〇
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 参考文献：
[1] B.Jaffe, ff. R. Cook, and H.Jaffe, Piezoelectric Ceramics, Academic Press, New York, 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-Jer Tzen, Shyr-Long Jeng,Wei-Hua Chieng, Modeling of piezoelectric actuator for compensation and controller design,Precision Engineering, 2003, 27:70 - 86；
[5] G. Robert,D. Damjanovic, and N. Setter,Preisach distribution function approach to piezoelectric nonlinearity and hysteresis, J. Appl. Phys.,2001, 90[5]:2459-2464 ；
[6] Takaaki TSURUMI, Tsutomu SASAKI1Hirofumi KAKEMOTO1Takakiyo HARIGAI and Satoshi WADA, Domain Contribution to Direct and Converse Piezoelectric Effects of PZT Ceramics, J.J. Appl. Phys. ,2004, 43 [I I]: 7618 - 7622 ；
[7] Shujun Zhang, Jong Bong Lim,Hyeong Jae Lee, and Thomas R. Shrout, Characterization of Hard Piezoelectric Lead-Free Ceramics, IEEE Trans. UFFC, 2009, 56[8]:1523-1527。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有压电陶瓷无法同时具备大位移及低滞后的特性，并且难以极化等 问题，本发明提供一种锆钛酸铅基压电陶瓷材料配方，该材料具有大的压电位移、低的电 压-位移滞后及良好线性特性；同时本发明通过高温淬火及室温极化工艺，解决了现有硬 性压电陶瓷极化困难的问题。
[0009] 在此，一方面，本发明提供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，所述陶瓷材料的组成通式为：Pb 1 x (SryCa1 y) x (ZrzTi1 z) 03+aCa (FewGa1 w) 05/2+bMn02(简写为 PSZT-CFG0)，其中：x、y、z 及 w 均为摩尔比，0· 05 彡 x 彡 0· 20， 0彡y彡1，0· 50彡z彡0· 55,0彡w彡I ;a为摩尔比，以PSZT陶瓷粉体总摩尔数为1计， 0. 005彡a彡0. 01 ;b为重量比，以PSZT陶瓷粉体总重量为1计，0彡b彡0. 01。
[0010] 所述陶瓷材料的压电常数d33为292~342PC/N，位移滞后为2% -5%。因此该类 陶瓷同时具备大位移及低滞后的特性，同时陶瓷电场-应变曲线，可满足高精度压电驱动 器应用需求，极具应用前景。
[0011] 另一方面，本发明还提供一种同时具备大位移及低滞后的锆钛酸铅基压电陶瓷材 料的制备方法，所述制备方法包括：步骤1)将原料Pb 304、SrC03、CaC03、Zr02、Ti0 2、Fe203、 Ga2O3 及 MnO2 按照 Pb1 x (SryCa1 y)x (ZrzTi1 z)03+aCa (FewGa1 w)05/2+bMn02 的化学计量比称量，将 原料粉体放入球磨罐中，加入去离子水，混合4-6小时，倒出烘干；步骤2)将混合均匀的粉 体过筛，压块，在800-950°C下合成2~4小时，将合成后的粉体打碎，放入球磨罐中，加入去 离子水，球磨6~8小时，倒出烘干；步骤3)将步骤2)得到的粉体加入粘结剂，造粒，压制 成型，将压制成型的素坯在500~650°C温度下保温2~6小时；步骤4)将素坯在1260~ 1300°C烧结2~4小时，双面磨平，表面被覆电极；步骤5)将被覆电极后的陶瓷极化，获得 同时具备大位移及低滞后的锆钛酸铅基压电陶瓷材料。
[0012] 本发明中，利用固相法合成粉体，然后在高温炉中烧结致密，陶瓷被覆电极后经高 温淬火，然后在室温施加高压极化。本发明提供的陶瓷材料具有大的压电位移、低的位移滞 后及高线性度，非常适合制作高精度压电微位移驱动器，用在精密控制及高精度定位等领 域。并且，本发明的材料制备工艺简单，可在室温极化而不会击穿，非常适合工业化生产。
[0013] 在所述步骤3)中，加入的粘结剂为PVA或PVB。
[0014] 又，在所述步骤3)中，压制成型的压力为150~250MP。
[0015] 本发明中，在所述步骤4)中表面被覆的电极为银电极或铂电极。
[0016] 本发明中，在所述步骤5)的极化过程包括：将被覆电极后的陶瓷加热至500°C后， 在水中淬火，然后在室温下施加2~4kV/mm的电压极化。
【附图说明】
[0017] 图1为实施例1制得的陶瓷材料的XRD谱图； 图2为实施例1制得的陶瓷的极化前电滞回线； 图3为实施例1制得的陶瓷高温淬火后的电滞回线； 图4为实施例1制得的陶瓷在lkV/cm单向电场下的应变曲线。
【具体实施方式】
[0018] 以下结合附图及下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于 说明本发明，而非限制本发明。
[0019] 本发明提供的锆钛酸铅基压电陶瓷材料同时具有较大的压电位移、低的压电-位 移滞后及高的线性度。
[0020] 本发明中的同时具备大位移及低滞后的锆钛酸铅基压电陶瓷材料的组成通式为： Pb1 ,(SryCa1 y)x (ZrzTi1 z)03+aCa (FewGa1 w)05/2+bMn02(简写为 PSZT-CFG0)，其中：x、y、Z 及 W 均为摩尔比，且满足〇· 05彡x彡0· 20,0彡y彡1，0· 50彡z彡0· 55,0彡w彡I ;a为摩尔 比，以PSZT陶瓷粉体总摩尔数为1计，且满足0. 005彡a彡0. 01 ;b为重量比，以PSZT陶瓷 粉体总重量为1计，且满足0 < b < 0. 01。
[0021] 本发明获得的低滞后大位移压电陶瓷可以制作高精度压电驱动器，在精密控制及 加工等领域有着广泛的应用前景。
[0022] 本发明的制备方法包括： 步骤 1)按照 Pb1 JSryCa1 y) JZrzTi1 z)03+aCa (FewGa1 w)05/2+bMn02通式精确称量化学计 量比的Pb304、SrC03、CaC03、Zr0 2、Ti02、Fe203、Ga2O 3及MnO 2。将所有原料粉体放入球磨罐中， 加入去离子水，混合4~6小时后倒出烘干； 步骤2)将混合均匀的粉体过筛压块后，放置在高温炉中，在800~950°C下合成2~4 小时，以获得所需要的物相； 步骤3)将合成后的粉体打碎后，放入球磨罐中，加入去离子水，球磨6~8小时后倒出 烘干； 步骤4)将球磨后的粉体加入PVA为粘结剂，造粒，在150~250MPa压力下压制成型， 将压制成型的素坯在500~650°C温度下保温2~6小时以排出素坯中的有机成分； 步骤5)将素坯放入高温烧结炉中，在1260~1300°C烧结2~4小时，经双面磨平至要 求尺寸后，表面