一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置与流程

本发明属于功能陶瓷，尤其涉及一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置。

背景技术：

1、电致伸缩驱动器可以将电能转化为机械应变，具有位移精度高、响应速度快、抗疲劳、重量轻等优点，被认为是最有潜力的驱动器之一。电致伸缩驱动器的性能与所用电致伸缩材料的电场致应变特性直接相关。相对于逆压电效应在场致应变过程中不可逆畴壁运动而产生高迟滞，电致伸缩材料具有迟滞低、响应快、发热少、功耗低等明显优势，在纳米级驱动器和精密控制技术中发挥着重要作用。电致伸缩的应变s与电致伸缩系数m和电场强度e的平方成正比，即s=me2。由于电致伸缩效应为机电耦合的二阶应变，其应变远低于相同电场下逆压电效应产生的应变。

2、尽管在过去的几十年里，研究者对电致伸缩陶瓷进行了大量的研究，但在电致伸缩性能的提高方面却没有取得重大突破。通过组份设计提高弛豫铁电陶瓷的化学和结构的非均质性有利于提高其电致伸缩性能。在前期研究中，相当多的研究采用固溶其它弛豫体的方式来增强弛豫特性。然而，电致伸缩应变的增强通常伴随着高迟滞系数和高驱动电场，这对驱动器在实用过程中的寿命和精度提出了很大的威胁，同时产生的高迟滞也破坏了电致伸缩的固有特性。迄今为止，在不牺牲电致伸缩材料迟滞的情况下实现高电致伸缩应变方面还没有取得显著的突破，这是高性能电致伸缩驱动器商业应用的绊脚石。随着电子元器件的快速发展，对高精密传感器和驱动器的性能提出了更高的要求。

3、因此，亟需研发一种高性能的电致伸缩陶瓷材料，可同时兼具高介电常数和高电致伸缩应变。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置，所述电致伸缩陶瓷具有高介电常数和高电致伸缩应变。

2、为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了电致伸缩陶瓷，所述电致伸缩陶瓷的化学通式为：pb(1-y-z)pryliz(mg1/3nb2/3)(1-x)tixo3，其中：0.25≤x≤0.35，0.04≤y+z≤0.08，y>0，z>0。

3、具体地，本发明的电致伸缩陶瓷，以铌镁酸铅pb(mg1/3nb2/3)o3-钛酸铅pbtio3（pmn-pt）为基体材料，利用三价镨离子（pr3+）和一价锂离子（li+）共同掺杂，取代钙钛矿结构（abo3）中a位二价铅离子（pb2+）的位置，以综合掺杂带来的电价不平衡，可获得稳定的钙钛矿结构，避免单一离子大量掺杂产生的杂相（如焦绿石相），从而有利于提高材料的介电常数和电致伸缩性能。同时，采用pr和li复合离子掺杂的方式，在局部纳米尺度上引入了大量化学和结构异质性，达到完全破坏其长程有序的铁电畴结构，从而降低不可逆畴壁运动带来的高滞后系数；且大量的异质结构还可协助材料获得高的电致伸缩性能。

4、优选的，所述y和z的取值范围分别为：0.03≤y≤0.05，0.01≤z≤0.05。

5、本发明的第二方面提供了一种电致伸缩陶瓷的制备方法，用于制备第一方面所述的电致伸缩陶瓷，包括以下步骤：

6、（1）将pbo、(mgco3)4·mg(oh)2·xh2o、nb2o5、tio2、li2co3、pr6o11按化学计量比混合，经球磨、干燥、预烧后，得预烧粉末；

7、（2）在所述预烧粉末中加入有机粘结剂，依次进行球磨、干燥、过筛、压制成型，得陶瓷生坯；

8、（3）将所述陶瓷生坯排胶后，进行烧结，得致密陶瓷；

9、（4）对所述致密陶瓷的表面进行抛光、被银，得所述电致伸缩陶瓷。

10、具体地，本发明的电致伸缩陶瓷在制备时，先将各原料进行预烧，通过固相烧结的方式使各原料反应获得稳定的具有钙钛矿结构的预烧粉体，以减少后期烧结过程中杂相的产生，为制得高介电常数和电致伸缩性能的陶瓷材料奠定基础。

11、优选的，步骤（1）中，所述化学计量比与所述化学通式中的化学计量比一致。

12、优选的，步骤（1）和步骤（2）中，所述球磨的介质为无水乙醇或水。

13、优选的，步骤（1）和步骤（2）中，所述球磨的物料与介质的质量比为1：（1-2）。

14、优选的，步骤（1）和步骤（2）中，所述球磨的转速为200-300r/min。

15、优选的，步骤（1）和步骤（2）中，所述球磨的时间为12-24小时。

16、优选的，步骤（1）中，所述预烧的温度为800-850℃。

17、优选的，步骤（1）中，所述预烧的时间为1-2小时。

18、优选的，步骤（2）中，所述有机粘结剂选自phoplex溶液。

19、优选的，步骤（2）中，所述有机粘结剂的添加量为所述预烧粉体的2-4wt%。

20、优选的，步骤（3）中，所述排胶的温度为550-750℃，以去除所述有机粘结剂。

21、优选的，步骤（3）中，所述排胶的升温速率为1-2℃/min。

22、优选的，步骤（3）中，所述排胶的时间为1-2小时。

23、优选的，步骤（3）中，所述烧结的温度为1180-1250℃。

24、优选的，步骤（3）中，所述烧结升温速率为2-5℃/min。

25、优选的，步骤（3）中，所述烧结的时间为1-2小时。

26、本发明的第三方面提供了一种电致伸缩装置，包括第一方面所述的电致伸缩陶瓷。

27、优选的，所述电致伸缩装置为微位移驱动器或高精密传感器。

28、本发明的上述技术方案相对于现有技术，至少具有如下技术效果或优点：

29、（1）本发明选择具有优异的电学性能的pmn-pt陶瓷为基体，通过pr和li复合离子掺杂的方式，在纳米尺度引入大量异质结构，增强陶瓷的弛豫特征，从而完全破坏pmn-pt陶瓷中的宏观铁电畴结构，降低不可逆畴壁运动带来的应变滞后系数，制备了高介电常数和高电致伸缩应变的电致伸缩陶瓷。同时，三价pr离子和一价li离子复合掺杂共同取代二价的pb离子，有利于获得稳定的钙钛矿结构，避免单一离子大量掺杂产生的杂相（如焦绿石相），进一步提高了材料的电学性能。

30、（2）本发明的电致伸缩陶瓷，其电滞伸缩率可达0.155-0.180%，室温介电常数ε33可达14380-17900，适用于微位移驱动器或高精密传感器。

技术特征：

1.一种电致伸缩陶瓷，其特征在于，所述电致伸缩陶瓷的化学通式为：pb(1-y-z)pryliz(mg1/3nb2/3)(1-x)tixo3，其中：0.25≤x≤0.35，0.04≤y+z≤0.08，y>0，z>0。

2.根据权利要求1所述的电致伸缩陶瓷，其特征在于，所述y和z的取值范围分别为：0.03≤y≤0.05，0.01≤z≤0.05。

3.权利要求1或2所述的电致伸缩陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的电致伸缩陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述化学计量比与所述化学通式中的化学计量比一致。

5.根据权利要求3所述的电致伸缩陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（1）和步骤（2）中，所述球磨的介质为无水乙醇或水；和/或，所述球磨的转速为200-300r/min；和/或，所述球磨的时间为12-24小时。

6.根据权利要求3所述的电致伸缩陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述预烧的温度为800-850℃；和/或，所述预烧的时间为1-2小时。

7.根据权利要求3所述的电致伸缩陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述有机粘结剂的添加量为所述预烧粉体的2-4wt%。

8.根据权利要求3所述的电致伸缩陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述排胶的温度为550-750℃；和/或，所述排胶的时间为1-2小时。

9.根据权利要求3所述的电致伸缩陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述烧结的温度为1180-1250℃；和/或，所述烧结的时间为1-2小时。

10.一种电致伸缩装置，其特征在于，包括权利要求1或2所述的电致伸缩陶瓷。

技术总结
本发明属于功能陶瓷领域，公开了一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置。电致伸缩陶瓷的化学通式为：Pb<subgt;(1‑y‑z)</subgt;Pr<subgt;y</subgt;Li<subgt;z</subgt;(Mg<subgt;1/</subgt;<subgt;3</subgt;Nb<subgt;2/3</subgt;)<subgt;(1‑x)</subgt;Ti<subgt;x</subgt;O<subgt;3</subgt;，其中：0.25≤x≤0.35，0.04≤y+z≤0.08，y>0，z>0。本发明选择具有优异的电学性能的PMN‑PT陶瓷为基体，通过Pr和Li复合离子掺杂的方式，在纳米尺度引入大量异质结构，增强陶瓷的弛豫特征，从而完全破坏陶瓷基体中的宏观铁电畴结构，降低不可逆畴壁运动带来的应变滞后系数，制备了高介电常数和高电致伸缩应变的电致伸缩陶瓷。同时，Pr和Li复合离子掺杂，有利于获得稳定钙钛矿结构，进一步提高了材料的电学性能。

技术研发人员：郭庆虎,郝华
受保护的技术使用者：佛山仙湖实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16