壓電驅(qū)動(dòng)元件、多層無(wú)鉛壓電陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓電陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及多層無(wú)鉛壓電陶瓷及其制備方法，還涉及一種由該多層無(wú)鉛壓電陶瓷制作的壓電驅(qū)動(dòng)元件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷是能將機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)化的功能性陶瓷材料，由于其獨(dú)特的壓電效應(yīng)，現(xiàn)已被廣泛引用于各種電子元器件中。
[0003]多層壓電陶瓷因其驅(qū)動(dòng)電壓低、尺寸微型化、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，在電子消費(fèi)品中具有廣泛的應(yīng)用前景。其中共燒多層壓電陶瓷是將陶瓷層和電極層進(jìn)行一體化燒結(jié)，相對(duì)于燒結(jié)后再將電極層粘接到陶瓷層上的方法而言，共燒所得的壓電陶瓷器件具有更高的整體性能和使用穩(wěn)定性。目前使用的多層壓電陶瓷，在原料上仍絕大部分采用PbT13-PbZrO3兩元體系以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的三元、四元體系，通過(guò)添加一定量的燒結(jié)助劑實(shí)現(xiàn)和內(nèi)電極低溫共燒，以得到高壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料，為此，目前的多層壓電陶瓷和內(nèi)電極的低溫共燒大多是采用含鉛體系的壓電材料作為原料，但是，以PZT (鋯鈦酸鉛)為主要成分的壓電陶瓷由于在燒結(jié)過(guò)程中PbO易揮發(fā)，對(duì)作業(yè)人員存在很大的健康隱患；廢棄的PZT壓電陶瓷元件在酸性條件下Pb離子很容易分離，造成對(duì)土壤、地下水等資源的污染，使環(huán)境的負(fù)荷問(wèn)題越來(lái)越來(lái)尖銳，歐盟地區(qū)已明確規(guī)定禁止含鉛系物質(zhì)的流入。
[0004]可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)出一種高壓電常數(shù)的無(wú)鉛壓電陶瓷已成為壓電陶瓷領(lǐng)域研宄的迫切需要。公開(kāi)號(hào)為CN103119002A的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了通過(guò)有意圖地控制析出1^3他04晶相來(lái)達(dá)到在1000°C下燒結(jié)出壓電常數(shù)較高的[Lix(NayKpy) JaNbOJi電陶瓷；公開(kāi)號(hào)為CN102863214A的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了 [Lix(NayVy)卜丄NbO3中添加一定比例的K 3Nb306Si207副相來(lái)提高[Lix (NayVy) ι-χ] aNb03壓電陶瓷的壓電特性，但K 3Nb306Si207相加入(l_a)[KhNaJhLiy [%_z_wTazSbw] O3基礎(chǔ)配方中經(jīng)1000°C燒結(jié)后很難繼續(xù)存在，因?yàn)槠錁O易與基礎(chǔ)配方中的低熔點(diǎn)K+和Na +發(fā)生反應(yīng)形成新的晶相，從而無(wú)法得到壓電性能良好的壓電陶瓷；碩士學(xué)位論文《水熱法制備鈮酸鹽無(wú)鉛壓電陶瓷粉體及其性能研宄》闡述了先通過(guò)水熱合成法分別制備出NaNbO3粉體和KNbO 3粉體，再用NaNbO 3粉體和KNbO 3粉體水熱合成(Naa5Ka5) NbO3粉體(即KNN粉體)來(lái)制備鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷，此論文中通過(guò)三步水熱合成制備得到的鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的壓電常數(shù)值較低，為40-50pC/N，此三步水熱合成工藝復(fù)雜，成本較高，然而得到的壓電陶瓷的壓電常數(shù)卻不高，不利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；公開(kāi)號(hào)為CN104051606A的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)一種化學(xué)通式為[(Naa52Ka44)^xLiJ (Nba9^ySbatl7Tay)O3，其中0.02 < X < 0.06，0.02 ^ y ^ 0.06的鈮酸鉀鈉基多層壓電陶瓷元件的制備，其主要通過(guò)兩次預(yù)燒和球磨的方法來(lái)控制粉體粒徑在Ium左右以提高粉體活性來(lái)降低燒結(jié)溫度，從而在1050°C -1100°C實(shí)現(xiàn)和內(nèi)電極的共燒，但是此種方法需要通過(guò)兩次煅燒和球磨，工藝步驟較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的在于提出一種多層無(wú)鉛壓電陶瓷的制備方法，以解決現(xiàn)有的制備方法工藝步驟繁雜，并且制備出的壓電陶瓷的壓電性能較差的技術(shù)問(wèn)題。
[0006]具體技術(shù)方案如下:
[0007]一種多層無(wú)鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0008]S1、制備KNN粉體:將起始濃度分別為7?8mol/L和2?3mol/L的KOH、NaOH混合形成混合堿溶液，控制所述混合堿溶液的堿濃度為5?7mol/L，按預(yù)定比例將Nb2O3粉體加入到所述混合堿溶液中，通過(guò)水熱合成法，在160?200°C的溫度范圍內(nèi)反應(yīng)16?24小時(shí)，形成鈣鈦礦相的(Naa 5K0.5) NbO3粉體，1卩KNN粉體；其中，所述預(yù)定比例為IL所述混合堿溶液中加入18?22g的Nb2O3粉體；
[0009]S2、制備壓電陶瓷胚體膜:按比例稱取所述KNN粉體、Li2CO3^ Ta2O5和Sb 203，其中，Li2CO3為3-8% Wt,Ta2O5為5-10% Wt, Sb 203為1_5% Wt，然后加入到有機(jī)溶劑中混合球磨，得到壓電陶瓷漿料，再將所述壓電陶瓷漿料制備成壓電陶瓷胚體膜；
[0010]S3、印刷電極:在步驟S2制得的所述壓電陶瓷胚體膜上印刷銀鈀內(nèi)電極；
[0011]S4、疊層、等靜壓、切割:將步驟S3所得的所述壓電陶瓷胚體膜疊層至預(yù)定層數(shù)，再等靜壓處理，然后切割成具有所述預(yù)定層數(shù)的預(yù)定尺寸的胚體；
[0012]S5、排膠:將步驟S4所得的所述預(yù)定尺寸的胚體在450?500°C的溫度下保溫12小時(shí)，以排除所述胚體中的有機(jī)物；
[0013]S6、低溫共燒:將經(jīng)步驟S5排膠后的所述預(yù)定尺寸的胚體和所述內(nèi)電極在1020?1060°C進(jìn)行共燒，生成具有所述預(yù)定層數(shù)的多層無(wú)鉛壓電陶瓷(Naa5KxLia5J(Nb0.JaySb0.卜y)03，其中 x = 0.1 ?0.4，y = 0.01 ?0.09。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟S2中的有機(jī)溶劑為異丁醇和醋酸丙脂的混合液，所述步驟S2具體包括:S21、將所述KNN粉體、Li2CO3、Ta2O5和Sb 203加入到所述有機(jī)溶劑中，并添加分散劑，混合球磨；S22、在經(jīng)步驟S21球磨后的混合物料中加入粘結(jié)劑和增塑劑，繼續(xù)進(jìn)行混合球磨，得到所述壓電陶瓷漿料；S23、采用流延法將步驟S23得到的所述壓電陶瓷漿料制備成厚度為20?2000 μπι的所述壓電陶瓷胚體膜。
[0015]優(yōu)選地，所述分散劑為磷酸三異脂，所述增塑劑為鄰苯二甲酸二辛脂，所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛；所述步驟S21和S22中的混合球磨均進(jìn)行24小時(shí)。
[0016]本發(fā)明提供的上述制備多層無(wú)鉛壓電陶瓷的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，至少具有以下有益效果:
[0017]I)在制備KNN粉體時(shí)，通過(guò)控制總堿濃度在5?7mol/L(即控制反應(yīng)環(huán)境的PH值)以及其他原料的濃度和反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間，可在更低的KOH濃度和更低的溫度下一步水熱合成(Naa5Ka5) NbO3粉體(即KNN粉體)，其工藝更簡(jiǎn)單，更易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；
[0018]2)陶瓷燒結(jié)溫度普遍較高，溫度過(guò)低則燒結(jié)不成瓷或者僅部分成瓷，成瓷的瓷體密度低，壓電性能差(例如壓電常數(shù)值低)，而導(dǎo)電銀漿燒結(jié)溫度普遍要比陶瓷低，所以共燒時(shí)含銀內(nèi)電極與陶瓷胚體存在燒結(jié)溫度上的矛盾，導(dǎo)致目前很多采用先燒成單層壓電陶瓷，然后在低溫下燒結(jié)含銀內(nèi)電極，最后把燒結(jié)好內(nèi)電極的多個(gè)單層壓電陶瓷粘合成多層壓電陶瓷，然而這樣形成的多層壓電陶瓷使用過(guò)程中穩(wěn)定性差。而本發(fā)明通過(guò)一步水熱合成高活性的KNN粉體，以保證后續(xù)能與銀鈀內(nèi)電極實(shí)現(xiàn)低溫(1020?1060°C )共燒(現(xiàn)有技術(shù)中，這個(gè)燒結(jié)溫度(1020?1060°C )下結(jié)晶粒無(wú)法完全長(zhǎng)大，導(dǎo)致瓷體密度很低，甚至無(wú)法燒結(jié)成瓷)，并在該粉體中添加一定比例的Li+、Ta5+、Sb3+，即可實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷胚體能夠在較低的溫度(1020?1060°C )下與銀鈀內(nèi)電極共燒而得到結(jié)構(gòu)致密的多層無(wú)鉛壓電陶瓷，不需特別控制形成和添加第二相就可獲得較高的縱向壓電常數(shù)；
[0019]3)按照前述步驟S2中的比例在KNN粉體中添加Li+、Ta5+、Sb3+，可使制備得到的壓電陶瓷在室溫下就能形成正交-四方混合相，從而也提高壓電陶瓷的壓電常數(shù)值，極化后的單層壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)可高達(dá)280pC/N。
[0020]本發(fā)明還提供一種多層無(wú)鉛壓電陶瓷，其通過(guò)前述方法制備而得，并且其單層的壓電陶瓷經(jīng)極化后的縱向壓電常數(shù)為190?280pC/N。
[0021]本發(fā)明還提供一種壓電驅(qū)動(dòng)元件的制備方法，包括在一多層壓電陶瓷的兩端披覆銀電極并進(jìn)行燒結(jié)，然后進(jìn)行極化，得到所述壓電驅(qū)動(dòng)元件；其中，所述多層壓電陶瓷為前述的多層無(wú)鉛壓電陶瓷。
[0022]優(yōu)選地，極化是在壓電硅油極化槽中進(jìn)行，極化溫度為80?120°C，極化電壓為2.5 ?3.5kV/mm，極化時(shí)間為 15_30min。
[0023]本發(fā)明還提供一種壓電驅(qū)動(dòng)元件，通過(guò)前述的壓電驅(qū)動(dòng)元件制備方法制備而成，該壓電驅(qū)動(dòng)元件在9?36V的電壓驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)10nm?400nm的縱向位移量。
[0024]綜上，