鉍基無鉛壓電陶瓷及使用該材料的壓電執(zhí)行器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鉍基無鉛壓電陶瓷及使用該材料的壓電執(zhí)行器，涉及電子陶瓷與元器件技術(shù)領(lǐng)域，具體提供一種新的無鉛壓電陶瓷材料，可以替代傳統(tǒng)的鉛基壓電陶瓷，用于壓電執(zhí)行器應(yīng)用的相關(guān)領(lǐng)域。該材料為主要包含Bi、Ti、Na和Sr元素，及少量其它元素，在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器工作電場(chǎng)下，具有比PZT陶瓷更為優(yōu)異的場(chǎng)致應(yīng)變性能?；谠摬牧系膲弘妶?zhí)行器可廣泛用于壓電噴油器、壓電精密平臺(tái)等工業(yè)領(lǐng)域。
【專利說明】
祕(mì)基無鉛壓電陶瓷及使用該材料的壓電執(zhí)行器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于電子元器件行業(yè)的壓電陶瓷材料，不含鉛的祕(mì)基巧鐵礦壓電 陶瓷W及使用該材料的壓電執(zhí)行器/微位移器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電陶瓷是一類極其重要的電子功能材料，基于該材料的執(zhí)行器/驅(qū)動(dòng)器在柴油 噴油器、航空航天和光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 目前，壓電執(zhí)行器的原材料基本上采用傳統(tǒng)的PZT基壓電陶瓷。該類陶瓷的歷史可 W追溯到上個(gè)世紀(jì)50年代，B. Jaf fe等發(fā)現(xiàn)了 一種二元系鐵錯(cuò)酸鉛(Pb (Zr，Ti)化，PZT)具有 非常優(yōu)異的壓電性能。PZT是由鐵電相PbTi化和反鐵電相PbZr化構(gòu)成的連續(xù)固溶體，其結(jié)構(gòu) 為AB化巧鐵礦型。1965年，日本學(xué)者化romu Ouchi等通過在PZT中添加第S種組分妮儀酸鉛 Pb(Mgi/3Nb2/3)〇3,研制成第一種商用S元系壓電陶瓷材料(PMN-PZT)。目前市場(chǎng)上使用的壓 電陶瓷原材料大多數(shù)都是含鉛的多元系陶瓷，鉛含量超過60wt%。當(dāng)該類壓電陶瓷在生產(chǎn) 過程中或者暴露在酸性環(huán)境中時(shí)，Pb會(huì)游離出來造成環(huán)境損害?；诖祟悊栴}，研究者正在 尋找能夠替代該陶瓷的環(huán)境友好材料。雖然無鉛壓電陶瓷性能依然有待提高，但是壓電陶 瓷在不同的應(yīng)用場(chǎng)合所需要的性能參數(shù)不太一樣。因此，在某些特定的領(lǐng)域，無鉛壓電陶瓷 可W發(fā)揮其替代作用。
[0004] 鐵酸祕(mì)鋼基陶瓷可W在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生很大的應(yīng)變(J.Appl.化ys. 103,034108， 2008)，運(yùn)種特性非常適合于壓電執(zhí)行器的使用。但是從實(shí)用的角度看來，該材料的應(yīng)用還 存在著一個(gè)典型的問題-高的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)。壓電陶瓷執(zhí)行器/驅(qū)動(dòng)器的單向驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)通常為2- 3kV/mm，而一般BNT基陶瓷在壓電系數(shù)達(dá)到與PZT類似時(shí)所需要的電場(chǎng)高達(dá)化V/mm。如何在 低的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下獲得比PZT更大的應(yīng)變性能成為無鉛壓電執(zhí)行器研制的關(guān)鍵技術(shù)。本發(fā)明 所列出的材料具有比傳統(tǒng)Pb基壓電陶瓷更為優(yōu)異的壓電性能，在正常的工作電場(chǎng)下?；?該材料的壓電執(zhí)行器可應(yīng)用于壓電噴油器、精密定位平臺(tái)等工業(yè)領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種祕(mì)基無鉛壓電陶瓷及使用該 材料的壓電執(zhí)行器。
[0006] 本發(fā)明通過W下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種祕(mì)基無鉛壓電陶瓷，所述的壓電陶瓷為巧 鐵礦結(jié)構(gòu)，主要包含Bi、Ti、Na和Sr元素。
[0007] 所述的壓電陶瓷組成式為：
[000引（l-x)Bi0.5Na0.5Ti03+xSrTi03+ywt %Mn02 其中 0.10《x《0.30; 0.1.0。
[0009] 或所述的壓電陶瓷組成式為：
[0010] a-a)[a-x)Bio.5化o.5Ti03+xSrTi03]+aBio.5(Mgo.5Tio.5)03其中0.10《x《0.30; 0.0《a《0.1。
[0011] 或所述的壓電陶瓷組成式為：
[0012] (l-b)[(l-x)Bi0.已 Nao.已 Ti03+xSrTi03]+bNaNb〇3 其中 0.10《x《0.30;0.0《b《0.1。
[0013] 本發(fā)明另外提供一種壓電執(zhí)行器，所述壓電執(zhí)行器的底部與頂部采用壓電陶瓷， 所述壓電執(zhí)行器的中間部分由壓電陶瓷與電極交替堆疊而成，所述壓電執(zhí)行器的側(cè)面采用 公共電極連接各個(gè)電極層;所述的壓電陶瓷是指上述祕(mì)基無鉛壓電陶瓷。
[0014] 本發(fā)明的原理在于：
[0015] 祕(mì)基壓電陶瓷的基體配方采用W下S種方式之一：
[0016] (l-x)Bi〇.5Na〇.5Ti〇3+xSrTi〇3+ywt %Mn〇2 其中 0.10《x《0.30; 0.1.0;
[0017] a-a)[a-x)Bio.5化o.5Ti03+xSrTi03]+aBio.5(Mgo.5Tio.5)03其中0.10《x《0.30; 0.0《a《0.1;
[001 引（l-b)[(l-x)Bi0.已 Nao.已 Ti03+xSrTi03]+bNaNb〇3 其中 0.10《x《0.30;0.0《b《0.1;
[0019] 壓電陶瓷制造方式為傳統(tǒng)固相燒結(jié)工藝。按化學(xué)計(jì)量比稱量后，將原料粉球磨混 合，烘干，過40目篩后，壓片，在800°C-90(rC燒結(jié)2-4h;將燒結(jié)得到的原料塊，娠碎，球磨，烘 干，過篩后，得到預(yù)燒結(jié)的陶瓷粉體。制作傳統(tǒng)陶瓷片時(shí)，先造粒再模壓成型，得到生巧片。 生巧片先在600°C脫脂，然后在1100-123(TC燒結(jié)化，陶瓷片進(jìn)行拋光、表面被銀和極化處 理。用該粉體制備疊層壓電執(zhí)行器時(shí)，采用流延工藝制得陶瓷生巧，然后印制電極，疊層，切 害d，燒結(jié)，制作外電極，最后得到共燒的壓電執(zhí)行器。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是:提供一種比傳統(tǒng)Pb基壓電陶瓷具有更優(yōu)異驅(qū)動(dòng)性能的Bi基 壓電陶瓷。該材料具有環(huán)境友好性，大的輸出力和抗疲勞特性，用于制造壓電執(zhí)行器。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為1#樣品在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的位移性能示意圖；
[0022] 圖2為2#樣品在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的位移性能示意圖；
[0023] 圖3為5#樣品在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的位移性能示意圖；
[0024] 圖4為10#樣品在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的位移性能示意圖；
[0025] 圖5為壓電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖6為兩類陶瓷的場(chǎng)致應(yīng)變性能對(duì)比示意圖；
[0027] 符號(hào)說明：
[0028] 101 外電極；
[0029] 102 內(nèi)電極；
[0030] 103壓電陶瓷層；
[0031] 104頂陶瓷層；
[0032] 105底陶瓷層。
【具體實(shí)施方式】：
[0033] 實(shí)施例1
[0034] 表1給出了本例中所實(shí)施的2個(gè)試樣的配方。本發(fā)明W分析純級(jí)B i 2〇3、化2〇)3、T i 〇2、 SrC〇3、和Mn〇2為原材料，按照化學(xué)式（l-x)Bi〇.日Nao.日Ti〇3+xSrTi〇3+ywt %Mn〇2，稱取原材料之 后，放入球磨罐中，W無水乙醇為介質(zhì)，球磨2地后，將得到的漿料放入烘箱烘干，過40目篩， 在820°C預(yù)燒4h。將預(yù)燒得到的粉料破碎，球磨，烘干之后過120目篩，然后加入一定量的 3wt%PVA水溶液造粒，模壓成型，在600°C停留化排膠，然后在1100-1230°C燒結(jié)化。將燒好 的陶瓷片拋光，燒銀電極之后靜置2地，最后進(jìn)行電學(xué)性能。
[0035]表 1 「nn^Al
[0037] 實(shí)施例2
[003引表2給出了本例中所實(shí)施的4個(gè)試樣的配方。本發(fā)明W分析純級(jí)Bi203、Na2C03、Ti02、 SrC03、和 MgO 為原材料，按照化學(xué)式（l-a)[(l-x)Bio.5Nao.5Ti03+xSrTi03]+aBio.5(Mgo.5Tio.5) 化稱取原材料之后，放入球磨罐中，W無水乙醇為介質(zhì)，球磨24h后，將得到的漿料放入烘箱 烘干，過40目篩，在860°C預(yù)燒化。將預(yù)燒得到的粉料破碎，球磨，烘干之后過120目篩，然后 加入一定量的3wt % PVA水溶液造粒，模壓成型，在600°C停留化排膠，然后在1100-1250°C燒 結(jié)化。將燒好的片拋光，燒銀電極之后，靜置2地，最后進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試。
[0039] 表 2
[0040]
[00
[0042] 實(shí)施例3
[0043] 表3給出了本例中所實(shí)施的4個(gè)試樣的配方。本發(fā)明W分析純級(jí)B i 2〇3、化2〇)3、T i 〇2、 SrC〇3、和師2〇5為原材料，按照化學(xué)式（1-6)[(1-義）810.5化0.51'103+技'1'103]+6船抓〇3稱取原 材料之后，放入球磨罐中，W無水乙醇為介質(zhì)，球磨2地后，將得到的漿料放入烘箱烘干，過 40目篩，在900°C預(yù)燒化。將預(yù)燒得到的粉料破碎，球磨，烘干之后過120目篩，然后加入一定 量的3wt %PVA水溶液造粒，模壓成型，在600°C停留化排膠，然后在1100-1250°C燒結(jié)化。將 燒好的片拋光，燒銀電極之后，靜置2地，最后進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試。
[0044] 表 3
[0045]
[0046] W上所述僅為本發(fā)明較好的實(shí)施案例，并不用于限制本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù) 人員可W容易對(duì)W上運(yùn)些實(shí)例進(jìn)行修改，并把一般原理應(yīng)用到其它實(shí)例中而不通過創(chuàng)造性 的勞動(dòng)。故凡本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明之提示，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的修改和改進(jìn)均在本發(fā)明 的保護(hù)之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鉍基無鉛壓電陶瓷，其特征在于:所述的壓電陶瓷為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，主要包含Bi、 Ti、Na和Sr元素。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉍基無鉛壓電陶瓷，其特征在于:所述的壓電陶瓷組成式為： (l-x)BiQ.5NaQ.5Ti〇3+xSrTi〇3+ywt%Mn〇2 其中0.10彡X彡0.30;0.0彡y 彡 1.0〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉍基無鉛壓電陶瓷，其特征在于:所述的壓電陶瓷組成式為： (1-&)[(11)81。.5恥。.51^03+叉3『1103]+&81。.5(]\%。.51^。.5)03其中0.10彡叉彡0.30 ;0.0彡& ^0.1〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉍基無鉛壓電陶瓷，其特征在于:所述的壓電陶瓷組成式為： (1-b) [ (l-x)BiQ.5NaQ.5Ti〇3+xSrTi〇3]+bNaNb〇3其中0 · 10彡X彡0 · 30; 0 · 0彡b彡0 · 1。5. -種壓電執(zhí)行器，所述壓電執(zhí)行器的底部與頂部采用壓電陶瓷，所述壓電執(zhí)行器的 中間部分由壓電陶瓷與電極交替堆疊而成，所述壓電執(zhí)行器的側(cè)面采用公共電極連接各個(gè) 電極層;其特征在于:所述的壓電陶瓷是指權(quán)利要求1-4中的任何一項(xiàng)鉍基無鉛壓電陶瓷。
【文檔編號(hào)】H01L41/187GK106064943SQ201610379644
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日 公開號(hào)201610379644.5, CN 106064943 A, CN 106064943A, CN 201610379644, CN-A-106064943, CN106064943 A, CN106064943A, CN201610379644, CN201610379644.5
【發(fā)明人】周佳駿, 童興野, 李海龍, 劉紅, 方敬忠
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所