一种耐高温的多层压电陶瓷致动器及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种耐高温的多层压电陶瓷致动器及其制备方法和用途。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。所述制备方法包括：1)将铋源、钪源、铅源和钛源混合，破碎，得到原料混合物，煅烧，得到煅烧粉料；2)将助烧剂与煅烧粉料混合，破碎，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。所述压电陶瓷致动器适用于25℃至300℃的工作温度范围，并且成本较低。

High temperature resistant multilayer piezoelectric ceramic actuator and preparation method and use thereof

The invention discloses a multilayer piezoelectric ceramic actuator with high temperature resistance, and a preparation method and application thereof. The piezoelectric ceramic layer in the piezoelectric ceramic actuator comprises a piezoelectric ceramic material and a sintering aid. The piezoelectric ceramic material is a bismuth scandium titanate binary piezoelectric ceramic material with a general formula of xBiScO3(1_x) PbTiO3. The preparation method comprises the following steps: 1) mixing and crushing the bismuth source, scandium source, lead source and titanium source, obtaining the raw material mixture, calcining and obtaining the calcined powder; 2) mixing the calciner with the calcined powder, crushing and molding the obtained mixture to obtain the piezoelectric ceramic membrane; 3) preparing the inner electrode on the surface of the piezoelectric ceramic membrane, and obtaining the calcined powder. The piezoelectric ceramic actuator is obtained by laminating, firing, preparing and polarizing the outer electrode of the piezoelectric ceramic membrane with an inner electrode. The piezoelectric ceramic actuator is suitable for working temperatures ranging from 25 to 300 degrees, and has low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温的多层压电陶瓷致动器及其制备方法和用途
本专利技术属于压电陶瓷致动器
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术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。本专利技术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，从而得到本专利技术提供的耐高温性好，且价格相对较低的压电陶瓷致动器。本专利技术中，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。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为对本专利技术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专利技术的技术目的和有益效果。作为本专利技术优选的技术方案，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。本专利技术中，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。本专利技术中采用银电极，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。作为本专利技术优选的技术方案，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％。本专利技术中，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。本专利技术给出的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，本专利技术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，得到所述压电陶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电陶瓷致动器，其特征在于，所述压电陶瓷致动器中的压电陶瓷层(1)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。

【技术特征摘要】
1.一种压电陶瓷致动器，其特征在于，所述压电陶瓷致动器中的压电陶瓷层(1)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。2.根据权利要求1所述的压电陶瓷致动器，其特征在于，所述压电陶瓷致动器中的压电陶瓷层(1)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；优选地，所述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；优选地，所述内电极为银电极；优选地，所述外电极为银电极。3.根据权利要求1或2所述的压电陶瓷致动器，其特征在于，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；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％，优选为0.1wt％。4.根据权利要求1-3任一项所述的压电陶瓷致动器的制备方法，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈朗，张伟飞，袁国亮，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44