一种耐高温的多层压电陶瓷致动器及其制备方法和用途与流程

文档序号：15313915发布日期：2018-08-31 22:31阅读：262来源：国知局

本发明属于压电陶瓷致动器技术领域，涉及一种耐高温的多层压电陶瓷致动器及其制备方法和用途。

背景技术：

近些年，随着航空航天、石油化工、冶金与能源等现代工业的迅猛发展，卫星、导弹的自动控制、油井井下超声探测和汽车工业发动机燃油监控等领域对设备使用环境提出新的要求。寻找具有卓越的压电常数、高的铁电居里温度和大应变等优秀性能的压电陶瓷材料，并成功应用到耐高温的致动器中是一项迫切且极具挑战意义的任务。

目前，最具商用价值的pzt基压电陶瓷由于成分和结构的原因，居里温度(tc)约为350℃，在块体压电材料中，由于热激活引起的去极化作用，其工作温度范围不超过居里温度的一半(r.c.turner,etal,appl.acoust.41,299(1994))。且应用于传统压电陶瓷致动器的pzt基陶瓷材料居里温度仅为200℃甚至更低，其并不适用于高温环境。

新型钪酸铋-钛酸铅(bisco3-pbtio3)高温压电陶瓷，相较于其他铅基压电陶瓷材料，展现出高居里温度(tc～450℃)和高压电常数(d33～450pc/n)，正是一种极具潜力且适合在高温环境下使用的陶瓷材料(r.e.eitel,etal,jpn.j.appl.phys.41,2099(2002))。但是多层压电陶瓷致动器件在制作过程中，通常采用流延成型多层共烧的工艺，即将陶瓷流延膜与电极材料层叠后同时在高温煅烧。目前使用最广泛的电极材料是银或银-钯金属电极，银-钯金属电极使用温度较高但价格昂贵，成本相对较低的银电极材料熔点约960℃，而钪酸铋-钛酸铅基压电陶瓷烧结温度大于1000℃(i.sterianou,etal,appl.phys.lett.87,299(2005))，难以将钪酸铋-钛酸铅基压电陶瓷与成本相对较低的银电极结合应用于压电致动器。

因此，制作成本较低且能在高温环境使用的多层压电陶瓷致动器是本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

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耐高温的多层压电陶瓷致动器及其制备方法和用途。本发明提供的耐高温的多层压电陶瓷致动器适用于25℃至300℃的工作温度范围，是一种性能优异的耐高温陶瓷器件，在多项领域有很好的应用前景。本发明提供的制备方法在使用钪酸铋-钛酸铅二元系高温压电陶瓷材料的同时，有效降低烧结温度，实现了与银电极共烧制作压电陶瓷致动器。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种压电陶瓷致动器，所述压电陶瓷致动器中的压电陶瓷层包括压电陶瓷材料和助烧剂，所述压电陶瓷材料为通式为xbisco3-(1-x)pbtio3的钪酸铋-钛酸铅二元压电陶瓷材料，其中x和(1-x)均代表摩尔比例，且0.3≤x≤0.4。

本发明提供的压电陶瓷致动器为多层压电陶瓷致动器，其压电陶瓷层中含有钪酸铋-钛酸铅二元压电陶瓷材料，因为这种压电陶瓷具有很高的居里温度(tc～450℃)，所以使用此种陶瓷材料可以有效提高压电陶瓷致动器的工作温度，使其达到25℃-300℃的范围；压电陶瓷层中还含有助烧剂，通过助烧剂和钪酸铋-钛酸铅二元压电陶瓷材料的相互作用，可以明显降低陶瓷层的烧结温度，使其能与价格较为低廉但是熔点也相对低的银电极共烧，从而得到本发明提供的耐高温性好，且价格相对较低的压电陶瓷致动器。

本发明中，所述压电陶瓷材料为通式为xbisco3-(1-x)pbtio3的钪酸铋-钛酸铅二元压电陶瓷材料，其中x和(1-x)均代表摩尔比例，且0.3≤x≤0.4，例如x为0.3、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。采用这一x值范围是因为该取值范围内钪酸铋-钛酸铅二元压电陶瓷材料存在最佳压电性能。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，所述压电陶瓷致动器中的压电陶瓷层由压电陶瓷材料和助烧剂组成，所述压电陶瓷材料为通式为xbisco3-(1-x)pbtio3的钪酸铋-钛酸铅二元压电陶瓷材料，其中x和(1-x)均代表摩尔比例，且0.3≤x≤0.4，，例如x为0.3、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。此种情况下压电陶瓷致动器可取得更好的效果。

优选地，所述致动器包括层叠的压电陶瓷层、位于压电陶瓷层之间的内电极和分别位于层叠的压电陶瓷层对侧的两个外电极，所述两个外电极分别为第一外电极和第二外电极，所述内电极由第一内电极和第二内电极组成，第一内电极与第一外电极导通连接但不连接第二外电极，第二内电极与第二外电极导通连接但不连接第一外电极，所述第一内电极与第二内电极呈梳齿状交替排列。

本发明中，所述第一内电极和第二内电极中的“第一”和“第二”只是对命名进行区分，并不是对内电极的数量进行限制。

优选地，所述内电极为银电极。本发明中采用银电极，相比于银-钯金属电极，可以降低压电致动器的成本，使其更有产业应用价值。

优选地，所述外电极为银电极。

作为本发明优选的技术方案，所述助烧剂包括cuo、b2o3或li2co3中的任意一种或至少两种的组合，典型但是非限制性的组合有：cuo和b2o3的组合，b2o3和li2co3的组合，cuo和li2co3的组合等。

优选地，所述压电陶瓷层(1)中，助烧剂的质量为压电陶瓷材料质量的0.05wt％-0.15wt％，例如0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.1wt％、0.11wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％或0.15wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为0.1wt％。本发明中，助烧剂的加入可以降低压电陶瓷材料钪酸铋-钛酸铅的烧结温度，使其能够与低熔点电极材料(例如银电极材料)结合，用流延成型多层共烧的工艺进行致动器的制备；但是加入过多的助烧剂会降低压电陶瓷材料的品质，进而使制备的压电陶瓷致动器质量劣化，具体表现为压电陶瓷致动器的位移量下降明显。本发明给出的0.05wt％-0.15wt％这一范围可以达到既降低压电陶瓷材料的烧结温度，对于其品质的降低又比较小的效果，其中当助烧剂的质量为压电陶瓷材料质量的0.1wt％时，效果尤其好。

第二方面，本发明提供一种如第一方面所述压电陶瓷致动器的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将铋源、钪源、铅源和钛源混合，进行破碎，得到原料混合物，煅烧所述原料混合物，得到煅烧粉料；所述铋源、钪源、铅源和钛源的加入量满足bi、sc、pb和ti的元素摩尔量符合通式xbisco3-(1-x)pbtio3的配比，其中x和(1-x)均代表摩尔比例，且0.3≤x≤0.4；

(2)将助烧剂与步骤(1)所述煅烧粉料混合，破碎，得到混合物，将得到的混合物成型得到压电陶瓷膜片；

(3)在压电陶瓷膜片表面制备内电极，将得到的带有内电极的压电陶瓷膜片层叠、烧制、制备外电极并进行极化后，得到所述压电陶瓷致动器。

本发明提供的制备方法中，因为使用高温压电陶瓷钪酸铋-钛酸铅而使得致动器产品具有高居里温度(tc～450℃)，适用于25℃至300℃的工作温度范围。通过将助烧剂和煅烧粉料混合并破碎，使得后续处理过程能够降低高温压电陶瓷钪酸铋-钛酸铅的烧结温度，使之能与价格相对便宜的低熔点电极材料(例如银电极材料)共烧，在满足压电陶瓷致动器的耐高温要求的同时降低了生产成本。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)中，所述铋源包括bi2o3；

优选地，步骤(1)中，所述钪源包括sc2o3；

优选地，步骤(1)中，所述铅源包括pbo；

优选地，步骤(1)中，所述钛源包括tio2。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)中，所述破碎的方法为湿法球磨。

优选地，步骤(1)中，所述煅烧的温度为750℃-800℃，例如750℃、760℃、770℃、780℃、790℃或800℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选的，步骤(1)中，所述煅烧的时间为1小时至3小时，例如1小时、1.5小时、2小时、2.5小时或3小时等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为2小时。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)中，所述助烧剂包括cuo、b2o3、li2co3中的任意一种或至少两种的组合，典型但是非限制新的组合有：cuo和b2o3的组合，b2o3和li2co3的组合，cuo和li2co3的组合等。

优选地，步骤(2)中，所述助烧剂的加入量为煅烧粉料质量的0.05wt％-0.15wt％，例如0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.1wt％、0.11wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％或0.15wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为0.1wt％。

优选地，步骤(2)中，助烧剂与步骤(1)所述煅烧粉料混合的方法为将助烧剂加入到步骤(1)所述煅烧粉料中。

优选地，步骤(2)中，所述破碎的方法为湿法球磨。

优选地，步骤(2)中，所述成型的方法为流延法成型。

作为本发明优选的技术方案，步骤(3)中，制备内电极的方法为丝网印刷方法。

优选的，步骤(3)中，所述内电极为银电极。本发明中采用银电极，相比于银-钯金属电极，可以降低压电致动器的成本，使其更有产业应用价值。

优选的，步骤(3)中，所述烧制的温度为800℃-950℃，例如800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃、900℃、910℃、920℃、930℃、940℃或950℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。该温度范围既可以将高温压电陶瓷材料钪酸铋-钛酸铅烧结，又不会将低熔点电极材料(例如银电极材料)熔化，有利于最终得到性能良好且成本较低的压电陶瓷致动器。

优选的，步骤(3)中，所述烧制的时间为1小时至3小时，例如1小时、1.5小时、2小时、2.5小时或3小时等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为2小时。

优选地，步骤(3)所述外电极为银电极。

作为本发明所述方法的进一步优选技术方案，所述方法包括以下步骤：

(1)将bi2o3，sc2o3，pbo和tio2混合，进行湿法球磨，得到原料混合物，在750℃-800℃下煅烧所述原料混合物2小时，得到煅烧粉料；其中，bi2o3，sc2o3，pbo和tio2的加入量满足bi、sc、pb和ti的元素摩尔量符合通式xbisco3-(1-x)pbtio3的配比，其中x和(1-x)均代表摩尔比例，且0.3≤x≤0.4；

(2)将助烧剂加入到步骤(1)所述煅烧粉料中，湿法球磨，对得到的混合物进行流延法成型得到压电陶瓷膜片；所述助烧剂包括cuo、b2o3、li2co3中的任意一种或至少两种的组合，所述助烧剂的加入量为煅烧粉料质量的0.1wt％；

(3)用丝网印刷方法在压电陶瓷膜片表面制备银内电极，将得到的带有内电极的压电陶瓷膜片层叠，在800℃-950℃下烧制2小时，烧制后制备外电极并进行极化，得到所述压电陶瓷致动器。

第三方面，本发明提供一种如第一方面所述压电陶瓷致动器的用途，所述压电陶瓷致动器用于卫星自动控制、导弹自动控制、油井井下超声探测或汽车工业发动机燃油监控。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供的耐高温的多层压电陶瓷致动器具有高居里温度(tc约为450℃)，适用于25℃至300℃的工作温度范围，并且成本较低，性能良好，相对位移量大，适于进行各种工业应用；

(2)本发明提供的制备方法在使用钪酸铋-钛酸铅二元系高温压电陶瓷材料的同时，利用助烧剂与钪酸铋-钛酸铅二元系高温压电陶瓷材料的相互作用，有效降低烧结温度，实现与银电极共烧制作压电陶瓷致动器，在提高压电陶瓷致动器的适用工作温度的同时，控制了生产的成本，产业化前景好。

附图说明

图1为本发明实施例1样品编号为3的压电陶瓷致动器的结构示意图，其中1是压电陶瓷层，2是第一内电极，3是第一外电极，4是第二内电极，5是第二外电极；

图2为本发明实施例1样品编号为3的压电陶瓷致动器在25℃、100℃、200℃和300℃工作温度下的电场强度-相对位移曲线图。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。

以下为本发明典型但非限制性实施例：

实施例1

本实施例的耐高温的多层压电陶瓷致动器具体制备过程如下：

(1)将bi2o3，sc2o3，pbo和tio2按组分0.3bisco3-0.7pbtio3摩尔配比称量，并湿法球磨，将得到的混合物粉料升温煅烧(预烧)，温度为750℃至800℃，保温2小时，得到煅烧粉料；

(2)在步骤(1)得到的煅烧粉料中添加煅烧粉料质量的0.1wt％的助烧剂cuo，并湿法球磨，对得到的混合物经流延法成型得到陶瓷膜片；

(3)将步骤(2)得到的陶瓷膜片经丝网印刷术得到印有内部银电极的陶瓷膜片，将印有内部银电极图案的层状陶瓷膜片层叠，在800℃至950℃范围下保温2小时烧制，烧成的多层陶瓷经制作银外电极、极化，得到压电陶瓷致动器。

对25℃下的致动器在40kv/cm电场强度中进行微位移量测试。

本实施例得到的样品中，陶瓷层1由高温压电陶瓷材料0.3bisco3-0.7pbtio3和助烧剂cuo组成，助烧剂的质量为高温压电陶瓷材料质量的0.1wt％，内电极为银电极。本实施例得到的样品1、样品2和样品3的具体试验参数及性能结果列于表1。其中预烧温度为步骤1中粉料煅烧温度，烧结温度为步骤3中多层陶瓷烧制温度，密度为多层陶瓷烧成密度，相对位移为该致动器在25℃、40kv/cm电场强度下的位移量与器件整体厚度的千分比。下述各实施例中参数及性能定义均相同。

图1为本实施例中样品编号为3的压电陶瓷致动器的结构示意图，所述压电陶瓷致动器包括层叠的压电陶瓷层1、位于压电陶瓷层1之间的内电极和分别位于层叠的压电陶瓷层1对侧的两个外电极，所述两个外电极分别为第一外电极3和第二外电极5，所述内电极由第一内电极2和第二内电极4组成，第一内电极2与第一外电极3导通连接但不连接第二外电极5，第二内电极4与第二外电极5导通连接但不连接第一外电极3，所述第一内电极2与第二内电极4呈梳齿状交替排列。该压电陶瓷致动器样品中，第一内电极2和第二内电极4均有多个，“第一”和“第二”仅仅是对命名进行区分，而不是对其数量的限制。该压电陶瓷致动器样品中的内电极数和陶瓷层数均不限于图中所示的层数。

本实施例中，编号为1和2的样品，结构与编号为3的压电陶瓷致动器样品相同。