专利名称：用于智能结构的形状记忆合金增强型压电驱动器及制作工艺步骤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有高驱动效率，大承载能力的高性能压电驱动器，可以用于智能结构或其它相关领域的作动元件。
背景技术：
智能材料与结构的研究于80年代中期起源于美国，该技术的发展和应用意味着工程结构功能的增强、结构使用效率的提高、结构形式的优化及结构维护成本的降低。其概念一经出现，就引起世界主要发达国家的极大重视，纷纷将其列为优先发展领域。智能材料与结构在航空航天、舰船武器等军事领域和机械结构、土木工程等领域都具有广阔的应用前景，目前已得到初步应用。
智能结构最大的优点在于其智能化，即首先通过传感系统识别外界参数，而后经过控制系统的分析和判断，最后由驱动系统作出相应的动作，从而改变智能结构的形状、刚度、位置、固有频率、阻尼等机械特性。显然，驱动材料及其元件在智能结构中占着举足轻重的作用。在一定程度上，驱动元件性能的高低直接决定了智能结构智能的高低。而且，目前传感技术和控制技术相对成熟，因此，驱动元件的研究已成为制约智能结构发展的一个瓶颈，开发和研究新型的综合性能优良的驱动材料和元件是当前智能结构发展中的当务之急。
压电材料由于响应速度快，作用力大，性能稳定等优点已经成为智能材料结构中广泛使用的驱动材料。但压电驱动元件最大的缺点在于极限应变太小(仅有1000με左右)，常常难以满足结构大位移驱动的实际要求，有必要研究提高其驱动能力的方法。目前，提高驱动材料及其元件的驱动特性主要有两种途径一是提高材料自身的性能，即各类压电常量、电致伸缩系数等；二是改进结构，如改进放大机构等。
就提高压电材料性能而言，可以对现有的压电材料进行改性研究，改善其工作性能，包括温度稳定性，经时稳定性等；可以研制不同连通方式的有机-无机的压电复合材料；可以大力发展压电薄膜材料，使其朝微型化的方向发展；可以研制特大应变的单晶铁电材料。目前，在这几个方面都获得了一定的研究进展。尤其是1997年美国宾西法尼亚大学研制出了被称之为压电陶瓷“神童”的、具有弛豫性的铁电单晶，在三方晶向<001>方向上应变甚至高达1.7％，这些弛豫型压电单晶体的应变比普通的压电陶瓷的应变有了一个数量级的提高。但这些压电材料性能方面的研究主要还停留在实验室阶段，离实用化还有一段距离。
此外，就驱动器结构方面的改进而言，各种新型驱动结构层出不穷，如双压电晶片式、多层压电晶片式、独石压电晶片式等等。现在使用最多的是线性多层式驱动器和双片式弯曲驱动元件，它们都有较高的位移和一定的推动力。这方面的研究在前二十年是个热点，也获得了一定的成果。如八十年代末，英国摩根公司开发出了d33可以达到850PC/N的高性能压电驱动器；1991年美国宾夕法尼亚大学材料系制造了“Moonie”型黄铜-PZT驱动元件，其d33可以达到2500PC/N，是常规PZT的4～5倍；九十年代初，日本NEC公司成功开发了类独石电容结构的层叠元件，具有体积小、驱动电压低、位移大等优点。国内方面，北京航空航天大学和南京航空航天大学取得了一定的研究成果。但这类驱动器有着它们不可克服的弊病，因为它们都属于机械放大机制的应用，在获得较大应变的同时，也降低了驱动力，即以牺牲驱动力为代价获得较大的位移。这在很多的实际使用中是不可取的。
近年来，一种全新的预置应力式驱动结构出现了。RAINBOW驱动元件(ReducedAnd Internally Biased Oxide Wafer)即属于其中性能较好的一种。RAINBOW驱动器由还原层和未还原层两层组成，并有独特的拱形结构。它在电场作用下能产生比常规压电、铁电驱动器大一个数量级的轴向位移。其中，真正起驱动作用的是RAINOBW元件的未还原层，驱动方式一般是压电效应和反铁电-铁电相变，而还原层经过高温还原后已失去了基体材料原先的晶体结构，没有驱动功能，但它起了对元件预制应力，提高驱动效率的作用，因此必不可少，同时，它也是RAINBOW结构最大的特征。由于预制应力的存在，RAINBOW元件的承载能力有很大的提高，而且，由于还原层与未还原层之间是化学结合，从而克服了其它预置应力式驱动结构内粘接层容易疲劳脱落的毛病。可以这样说，RAINBOW元件在产生大的应变的同时，还可承载较大的应力，而且工作稳定，使用时间长。这些优点是其他各类驱动器所不能比拟的。其制备方法是将普通的压电或铁电材料放在石墨衬底上，并在高温下发生还原反应，随后在室温下进行快速冷却，由于还原层与未还原层之间的膨胀系数存在差别，冷却后形成了具有内部预应力的拱形结构。由于RAINBOW元件从出现到现在，不过几年的时间，因而，总的文献报道不多。目前，它的研究主要集中在美国。例如美国克莱门森(Clemson)大学陶瓷工程系研究了基于不同PSZT材料配方的RAINBOW元件，结果表明，它在电场作用下最大轴向位移可达到100～273μm，约为普通压电驱动器的200倍；美国的NASA兰利研究中心则制造了基于RAINBOW结构的堆栈，据报道，它的最大驱动位移和驱动力分别达到了10mm和250g[56]，已接近实用化程度；Dausch等人研究了RAINBOW元件内的电畴运动，通过实际的测试总结了90°电畴重新排布与外加电场的关系；M.W.Hooker等人研究了RAINOBOW元件的矫顽场与还原层厚度之间的关系，给出了一种测试还原层厚度的非破坏性方法。国内在这方面的研究较为薄弱，基本处于起步阶段，只有相关的一些介绍性文章。
综上所述，利用RAINBOW结构有可能制备出大驱动力大驱动位移的压电驱动器。但很多很多方面都需要进一步地研究。例如缺乏模型的建立和优化设计方案、还原反应机理还不清楚、微观结构以及宏观特性研究不够，综合性能有待进一步研究等。另外，如果能够将RAINBOW元件与形状记忆合金(SMA)按一定方法集成，使两者的驱动能力叠加，则有可能制备出驱动效率更高的驱动元件，但目前国内外并未发现这方面的相关研究。
发明内容
根据上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于针对智能结构对高性能压电驱动器的需求，提出了将形状记忆合金膜和RAINBOW结构压电陶瓷进行集成的思路，从而研制出了高性能的压电驱动器。为智能结构提供了一种响应快，驱动位移、驱动力大的驱动元件。它不仅保留了RAINBOW结构大驱动效率的特点，而且还引入了形状记忆合金的驱动效果，并有效改善了原先RAINBOW结构中还原层较薄弱的缺点，大大提高了驱动器的承载能力。
为实现上述目的，本发明的的技术要求包括1)驱动器结构的设计，即根据力学分析的结果确定压电材料还原层和未还原层的厚度比率；2)合适的基体材料，即选取成分合适的压电陶瓷和形状记忆合金以提高加工工艺性；3)压电陶瓷的高温还原，即制定合适的还原工艺参数获得驱动器的拱形结构；4)与形状记忆合金的集成，即在压电陶瓷的还原层通过磁控溅射的方法沉积形状记忆合金膜；5)驱动器的位移测试和标定。
为达到技术要求，本发明的具体构成是，压电陶瓷通过高温还原产生分层的拱形结构，拱形的下层为压电陶瓷的还原层，上层是未还原的压电层，并且在压电陶瓷的还原层上镀有形状记忆合金膜。其中压电陶瓷的还原层占总厚度的1/5～2/5，形状记忆合金膜为3～6μm。
本发明用于智能结构的形状记忆合金增强型压电驱动器的制作工艺步骤是1.采用有限元方法分析驱动器各层的应力状态；2.根据力学分析确定形状记忆合金膜、还原层、未还原层各自的厚度；3.将压电陶瓷基体材料在800℃～1000℃下单面还原40～60分钟；4.达到还原时间后将压电陶瓷从高温中取出在室温下冷却；5.将已完全冷却且已具有拱形结构的压电陶瓷进行超声波清洗；6.制作镀模所需的工装夹具；7.用磁控溅射方法在还原层表明沉积5μm形状记忆合金(TiNi)膜；8.将试样在高真空度下对形状记忆合金膜进行晶化退火；9.在驱动器两个端面凃覆导电胶作为电极，并极化；10.测试其驱动位移和承载能力，并作标定；本发明的有益效果是1)通过高温还原对压电陶瓷进行预制应力，从而提高压电元件的压电效应，获得了超大的电致位移；2)通过与形状记忆合金薄膜的集成，消除还原层所含的微观缺陷，大大提高了驱动器的承载能力；3)形状记忆合金的引入有利于提高压电层在整个结构中所占的比率；4)形状记忆合金具有热驱动能力，需要时也可作为一种驱动机制。综上所述，与传统的压电驱动器相比，在元件尺寸相同的情况下，本发明在驱动位移和承载能力上均有两倍左右的提高，并可适当降低驱动电压进而改善其使用的安全性。利用本发明可充分满足智能结构对高性能压电驱动器的需求，实现智能结构响应快、驱动位移大以及承载能力强的作动效果，大大推动智能结构的实际应用。此外，本发明也可用于其它相关领域。
图1是形状记忆合金增强型压电驱动器示意图。
图中标号名称1.形状记忆合金膜(TiNi)，2.压电陶瓷的还原层，3.压电陶瓷的压电层(未还原层)。
图2是压电陶瓷的还原示意图。
具体实施例方式由图1可知，本发明—用于智能结构的形状记忆合金增强型压电驱动器是一种具有拱形结构的分层式驱动元件，由形状记忆合金膜(1)、压电陶瓷的还原层(2)和压电层(3)组成。还原层主要起对压电层预制应力的作用，而压电层和形状记忆合金起驱动作用。驱动器制作过程是首先根据形状记忆合金膜、压电陶瓷的还原层以及压电层之间热膨胀系数的不同，采用有限元方法分析高温还原后各层应力状态，并根据分析结果确定各自的厚度。然后将压电陶瓷基体材料(PZT5，尺寸，Φ20×0.5)在1000℃高温下进行单面还原，随后取出在空气中迅速冷却，待形成所需的拱形结构后清洗并抛光表面。将试样放入专用的工装夹具进行磁控溅射，在还原层表明沉积形状记忆合金膜，并经过真空晶化退火后取出。最后在两个端面涂覆导电胶作为电极。其制备过程中最重要的两个阶段如下1、压电陶瓷的高温还原如图2所示，将尺寸符合要求的PZT5压电陶瓷直接放于还原剂-石墨上，再将氧化锆放在压电陶瓷上以防止陶瓷片的上部发生还原反应。最后将陶瓷片、石墨、氧化锆放入高温烧结炉中，800℃～1000℃下保温40～60分钟后取出空冷。由于压电陶瓷片的下部与石墨接触发生还原反应，生成还原层，其热膨胀系数大大增加，而其上部由于氧化锆的保护作用未发生还原反应，热膨胀系数不变。因此，结构出现拱形。实现对压电陶瓷片的预制应力作用。根据有限元分析的结果，还原层占总厚度的1/5～2/5时预制应力效果最好。
2、与形状记忆合金膜的集成将还原后的压电片进行清洗抛光，去除还原后留在还原层表面的氧化物颗粒。将清洁试样采用专用夹具放入磁控溅射镀膜机，在还原层表明沉积TiNi膜，厚度为3～6μm。由于膜层的气相沉积可填补还原层表明的微观缺陷，因而大大提高了内驱动器的正向承载能力和强度；而且由于TiNi膜的热膨胀系数比压电层更高，因此，沉积膜层带来的应力改变对整个驱动器是有利的。
权利要求
1.一种用于智能结构的形状记忆合金增强型压电驱动器，其特征在于它是由压电陶瓷的压电层(3)、还原层(2)以及在压电陶瓷的还原层(2)表面镀的形状记忆合金膜(1)组成的具有拱形结构的分层式驱动元件。
2.根据权利要求1所述的用于智能结构的形状记忆合金增强型压电驱动器，其特征在于形状记忆合金膜厚为3～6μm，压电陶瓷的还原层占总厚度的1/5～2/5。
3.一种用于智能结构的形状记忆合金增强型压电驱动器的制作工艺步骤，其特征在于1)采用有限元方法分析驱动器各层的应力状态；2)根据力学分析确定形状记忆合金膜、还原层、未还原层各自的厚度；3)将压电陶瓷基体材料在800℃～1000℃下单面还原40～60分钟；4)达到还原时间后将压电陶瓷从高温中取出在室温下冷却；5)将已完全冷却且已具有拱形结构的压电陶瓷进行超声波清洗；6)制作镀模所需的工装夹具；7)用磁控溅射方法在还原层表明沉积5μm形状记忆合金(TiNi)膜；8)将试样在高真空度下对形状记忆合金膜进行晶化退火；9)在驱动器两个端面涂覆导电胶作为电极，并极化；10)测试其驱动位移和承载能力，并作标定。
全文摘要
一种涉及用于智能结构的形状记忆合金增强型压电驱动器及制作工艺步骤。驱动器由形状记忆合金膜，压电陶瓷的还原层、压电层构成，制作工艺是将压电陶瓷基体材料在800℃～1000℃高温下进行单面还原，随后取出在空气中迅速冷却，待形成所需的拱形结构后清洗并抛光表面。将试样放入专用的工装夹具进行磁控溅射，在还原层表明沉积形状记忆合金膜，并经过真空晶化退火后取出。最后在两个端面涂覆导电胶作为电极。本发明具有特殊的拱形结构特征，并有响应快、驱动位移大以及承载能力强的优点，作为驱动元件具有广泛的应用前景。
文档编号H01L41/083GK1632963SQ200410065659
公开日2005年6月29日 申请日期2004年11月10日 优先权日2004年11月10日
发明者沈星, 冯伟, 刘永刚 申请人:南京航空航天大学