一种压电单晶元件的制备方法技术

本发明专利技术提供一种压电单晶元件的制备方法，具备：制备环形的压电单晶材料并在表面涂覆导电电极；对压电单晶材料进行分割并极化：先将环形的压电单晶材料以其轴心为中心而沿其周向均等分割为若干个扇面形状的材料块，而后对分割得到的材料块进行极化处理，或者，先对环形的压电单晶材料进行极化处理，而后以其轴心为中心而沿其周向均等分割为若干个扇面形状的材料块；挑选材料块中性能相近的数个，以相邻材料块之间的压电性能符号相反的形式，重新拼装成环形。根据本发明专利技术，能高效获得压电性能均匀性高的压电单晶元件，有效规避组分分凝以及极化工艺导致的压电性能分布不均匀和易碎等缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种压电单晶元件的制备方法
本专利技术属于压电单晶元件制备的
，尤其涉及一种压电单晶元件的制备方法。
技术介绍
压电材料受到压力作用时会在两端面间出现电压，因此能够实现机械能与电能之间的直接相互转换，是一类非常重要的功能材料，广泛应用于航空、能源、汽车制造、通信、探测、家电和计算机等诸多领域，是构成换能器、滤波器、传感器、驱动器等电子元件的重要组成部件，已成为21世纪高新技术的主要研究方向之一。半个多世纪以来，二元压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)陶瓷由于其较高的压电性能和系列化的材料产品而被广泛应用。然而随着科学技术的不断发展，出现了新一代高性能压电单晶—弛豫铁电单晶，其主要包括铌锌酸铅-钛酸铅(PZNT)、铌镁酸铅钛酸铅(PMNT)、铌铟酸铅铌镁酸铅钛酸铅(PIMNT)等。该类压电单晶材料具有非常优异的压电性能、如其压电常数d33达到1500pC/N以上，比PZT陶瓷高4-5倍，电致应变达到1.7％，比PZT陶瓷高一个数量级，机电耦合因数k33达到90％以上，显著高于PZT陶瓷的70％左右的机电耦合因数，因此被认为是压电领域50年来最激动人心的一次突破，引起铁电和压电领域学者的极大关注。除此之外，弛豫铁电单晶还具有异常优异的低温性能。常用的PZT陶瓷系列压电陶瓷在温度降低到-40℃时会因为迟滞损耗的增加而导致性能下降，在温度-240℃时，压电陶瓷的性能会下降75％。然而，弛豫铁电单晶在-240℃时的压电性能仍然优于压电陶瓷30℃时的压电性能。弛豫铁电单晶如此优异的性能使得其在水声换能器、医用B超和超声电机等领域有广泛的应用。其中，超声电机是根据压电材料的逆压电效应制成，与普通电极相比，具有高力矩密度、低压输入、高精度定位、响应时间短、位移重复性好、低耗、无需润滑和无电磁干扰等优点。而压电材料是超声电机中将电能转换成振动能的部件，其压电性能的优劣关系到超声电机的机械特性。其中，极化工艺是压电材料获得压电性能的关键工序，特别是压电材料分区极化工艺，一块压电材料被分成若干区域，相邻区域极化时施加的电场方向相反。目前成熟的极化工艺主要是针对传统压电PZT陶瓷开发的，如不同区域分次极化，或者所有区域同时极化等。但由于压电单晶存在组分分凝等特点，传统的极化工艺很难获得具有高压电均匀性的分区极化压电元件。
技术实现思路
专利技术要解决的问题：如上所述，针对PIMNT、PMNT、PZNT等压电单晶材料，如果像传统压电PZT陶瓷那样进行不同区域分次极化处理，会因不适宜的极化工艺导致其压电性能不均匀，如果进行所有区域同时极化处理，则会导致的压电单晶材料易碎等。此外，由于PIMNT、PMNT、PZNT等压电单晶材料在生长过程中存在组分分凝，导致压电单晶材料性能分布不均匀，如果不通过拼接，直接分区后极化，由于压电单晶材料性能不均匀，最后会导致环形的压电单晶元件的压电性能同样分布不均匀。进一步地，如果压电单晶元件各区域的压电性能均匀度低，会导致压电振子激励出的两驻波的幅值不相等。这样会造成接触面在电机的轴向上波动，影响超声电机的运转平稳性，降低超声电机的工作效率，也会产生噪声。针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种能有效规避因压电单晶组分分凝以及极化工艺导致的压电性能分布不均匀的压电单晶元件的制备方法。解决问题的技术手段：本专利技术提供一种压电单晶元件的制备方法，其特征在于，具备：第一，制备环形的压电单晶材料并在表面涂覆导电电极；第二，对所述压电单晶材料进行分割并极化：先将环形的所述压电单晶材料以其轴心为中心而沿其周向均等分割为若干个扇面形状的材料块，而后对分割得到的所述材料块进行极化处理，或者，先对环形的所述压电单晶材料进行极化处理，而后以其轴心为中心而沿其周向均等分割为若干个扇面形状的材料块；第三，挑选所述材料块中性能相近的数个，以相邻材料块之间的压电性能符号相反的形式，重新拼装成环形。根据本专利技术的压电单晶元件的制备方法，主要用于压电单晶材料分区极化元件的制备。具体地，将多个环形的压电单晶材料切割成若干材料块，挑选性能相近的材料块组成一组，然后拼装成环形的压电单晶元件。由此，能在压电单晶材料性能不均匀的条件下，高效获得压电性能均匀性高的压电单晶元件，有效规避由于压电单晶材料组分分凝以及极化工艺导致的压电性能分布不均匀和易碎等缺点，从而保证压电单晶材料能够很好的应用于超声电机等压电器件。也可以是，本专利技术中，相邻材料块之间通过非导电物质粘接。由此，能将压电材料粘接成圆环。也可以是，本专利技术中，所述非导电物质为环氧树脂和固化剂的混合物、或者硫铝酸盐水泥。由此，通过此类材料既能很好的将压电材料粘接起来，还能使得声阻抗匹配也很好。也可以是，本专利技术中，所述压电单晶材料为铌锌酸铅-钛酸铅(PZNT)、铌镁酸铅钛酸铅(PMNT)、铌铟酸铅铌镁酸铅钛酸铅(PIMNT)。由此，该些材质目前在弛豫铁电压电单晶中最具产业化前景，本专利技术可针对该些材料进行分区极化，几乎可囊获目前可用的所有品类，适用范围广泛。也可以是，本专利技术中，所述压电单晶材料的内圆直径为0.5mm～90mm，外圆直径为2mm～100mm，厚度为0.2～50mm。由此，能覆盖驱动器用环状压电材料的尺寸。也可以是，本专利技术中，所述极化处理时施加的电场为E，Ec≤E≤10Ec，其中Ec为所极化晶体材料的矫顽场；所述极化处理时的温度为T，室温≤T≤Td，其中Td为压电单晶材料的退极化温度；所述极化处理时的时间为t，t≥1s。由此，Ec≤E≤10Ec是实验室通常选用的极化条件，既能保证压电元件能够极化，又不会因为所加电场太高是样品碎裂。室温≤T≤Td覆盖了极化时所用的温度范围，室温样品即可极化，温度越高，电畴转向约容易，极化时所需要施加的极化电场越低，但是当温度高于Td时样品的压电性能会退化，超过此温度样品无法极化。由于极化过程是样品内电畴的转向过程，实验室通常的极化时间是10-30min，以保证单畴有充足的时间转向，但是理论上电畴转向的时间很快，不到1秒就可以完成，所以极化处理时间只要大于该时间即可。专利技术效果：本专利技术能提供一种能有效规避因压电单晶组分分凝以及极化工艺导致的压电性能分布不均匀和易碎等缺点的压电单晶元件的制备方法。附图说明图1是根据本专利技术的实施例1的方法所得的压电单晶元件的结构示意图；图2是根据本专利技术的实施例2的方法所得的压电单晶元件的结构示意图；图3是根据本专利技术的实施例3的方法所得的压电单晶元件的结构示意图；图4是根据本专利技术的实施例4的方法所得的压电单晶元件的结构示意图。具体实施方式以下结合下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。在各图中相同或相应的附图标记表示同一部件，并省略重复说明。在此公开一种压电单晶元件的制备方法，主要适用于压电单晶材料的分区极化，可为新一代压电单晶材料、即弛豫铁电单晶材料分区极化从而制备压电单晶元件提供了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电单晶元件的制备方法，其特征在于，具备：/n第一，制备环形的压电单晶材料并在表面涂覆导电电极；/n第二，对所述压电单晶材料进行分割并极化：/n先将环形的所述压电单晶材料以其轴心为中心而沿其周向均等分割为若干个扇面形状的材料块，而后对分割得到的所述材料块进行极化处理，或者，先对环形的所述压电单晶材料进行极化处理，而后以其轴心为中心而沿其周向均等分割为若干个扇面形状的材料块；/n第三，挑选所述材料块中性能相近的数个，以相邻材料块之间的压电性能符号相反的形式，重新拼装成环形。/n

【技术特征摘要】
1.一种压电单晶元件的制备方法，其特征在于，具备：
第一，制备环形的压电单晶材料并在表面涂覆导电电极；
第二，对所述压电单晶材料进行分割并极化：
先将环形的所述压电单晶材料以其轴心为中心而沿其周向均等分割为若干个扇面形状的材料块，而后对分割得到的所述材料块进行极化处理，或者，先对环形的所述压电单晶材料进行极化处理，而后以其轴心为中心而沿其周向均等分割为若干个扇面形状的材料块；
第三，挑选所述材料块中性能相近的数个，以相邻材料块之间的压电性能符号相反的形式，重新拼装成环形。


2.根据权利要求1所述的一种压电单晶元件的制备方法，其特征在于，相邻材料块之间通过非导电物质粘接。


3.根据权利要求2所述的一种压电单晶元件的制备方法，其特征在于，所述非导电物质为环氧树...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锦峰，许桂生，朱秀，陈梅林，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31