CN100449813C - 一种功能梯度结构的压电驱动器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种功能梯度结构的压电驱动器件及其制备方法，属于悬臂梁结构压电驱动器技术领域。采用粉末烧结方法将锆钛酸铅压电陶瓷和金属Ag进行复合，通过逐层改变Ag含量形成Ag成分梯度变化的压电陶瓷复合材料，在复合材料的上下表面涂覆银电极并切割成型，制备得到PZT/Ag功能梯度结构的压电驱动器。压电陶瓷复合材料的烧结温度为900-1200℃，Ag含量最高为15vol%。本发明的优点在于，Ag作为第二相加入PZT一方面调控压电复合材料的压电性能并沿驱动器厚度方向形成梯度变化，使得各复合层协调变形；另一方面由于金属第二相的弥散强化和阻裂增韧作用，大幅提高了悬臂梁结构压电驱动器的可靠性和服役寿命。
Description
技术领域
本发明属于悬臂梁结构压电驱动器技术领域，特别是提供了一种功能梯度结构的压电驱动器件及其制备方法。应用于微位移或微流量控制，并可长期、稳定工作的陶瓷/金属功能梯度结构压电驱动器。
背景技术
压电驱动器(也称作致动器，马达，执行器等)作为自动控制和精确定位元件，在工业控制、医疗器械、家电、汽车工业、航天工业等重要领域均有广泛应用。双晶片压电驱动器通过有机粘结剂将两个陶瓷片与中间金属片连接，由于存在粘结界面，这类驱动器在服役过程中出现界面应力集中和开裂的现象，给驱动器的高效运行和安全服役带来隐患。为了解决双晶片压电驱动器的界面失效问题，许多研究借鉴功能梯度材料(functionally graded materials，FGM)的概念，通过在压电陶瓷基体中添加异类陶瓷，采用成分逐次变化的梯度结构来消除陶瓷/金属粘结界面。美国海军实验室的Wu等通过控制硼化锌的扩散，制备了电阻沿厚度方向梯度变化的单晶片驱动器代替传统的双晶片驱动器(C.C.M.Wu，et al.，J.Am.Ceram Soc.，Vol.79，809-812(1996))。美国弗吉尼亚州的Kahn等为了减少压电驱动器内部的应力集中，通过掺杂金属氧化物形成压电性能的梯度变化而产生相互协调的应力变形(M.Kahn et al.，“Actuator with graded activity”，美国专利号：US5519278A(1996))。孟中岩等在国内率先研究功能梯度压电驱动器，先后设计与合成了介电型和电阻型两种功能梯度压电陶瓷驱动器(X.Zhu and Z.Meng，Sensors and Actuators A，Vol.48，169-176(1995))。然而，对于以上所述的功能梯度压电驱动器，通过添加异质陶瓷形成的陶瓷/陶瓷复合材料的力学性能并无明显改善。由于双晶片压电驱动器须在高频加载下反复弯曲变形，因此要求驱动器材料具有优良的力学性能，压电陶瓷/金属复合材料将是理想的候选材料。
清华大学李敬锋等利用金属Pt作为第二相与压电陶瓷PZT复合烧结，制备了PZT/Pt功能梯度结构的压电陶瓷驱动器(J.-F.Li，et al.，Appl.Phys.Lett.，Vol.79，2441-2443(2001))。PZT/Pt功能梯度压电驱动器不仅改善了原来存在的界面应力集中，而且金属第二相的弥散强化还大幅提高了PZT/Pt复合材料的基体强度和断裂韧性。尽管PZT/Pt功能梯度压电驱动器综合性能优越，然而Pt昂贵的价格增加了生产成本并限制了在实际中的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功能梯度结构的压电驱动器件及其制备方法，以金属Ag作为第二相与压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)复合烧结的功能梯度结构压电驱动器的设计与制备方法。
本发明的功能梯度结构的压电驱动器件上至下依次为银电极、PZT/Ag复合材料、银电极，复合材料中Ag含量为0-15vol％，每一复合层的厚度为0.2-0.5毫米，压电驱动器件的总厚度为1-2毫米。所述的压电驱动器件层数为2-7层。
本发明同时提供一种陶瓷/金属功能梯度结构压电驱动器的制备方法。在0-15vol％的Ag成分范围内配制PZT/Ag混合粉末，根据分层理论和ANSYS有限元分析软件优化设计各复合层的Ag含量及厚度，在圆筒型模具中逐层堆积得到Ag含量连续变化的PZT/Ag多层复合材料，在900-1200℃温度范围内常压烧结后将所得圆片上下表面涂覆银电极并进行极化处理，按照相应尺寸切割成型并牵引导线，沿长度方向一端固定构成悬臂梁结构，制备得到PZT/Ag功能梯度结构的压电驱动器。
所制备的PZT/Ag功能梯度压电驱动器各复合层的Ag含量在0-15vol％之间，每层厚度在0.2-0.5毫米之间，悬臂梁驱动器的长度和厚度分别在8-15毫米和1-2毫米之间。所述的功能梯度压电驱动器的优化结构为PZT/5％Ag/15％Ag，各层厚度为0.33/0.33/0.33毫米，压电复合材料的层数为3层。
制备PZT/Ag功能梯度结构压电驱动器按如下步骤进行：
(a)在0-15vol％的Ag成分范围内，按照不同配比将PZT和Ag粉末在研钵中至少研磨半小时以保证两种粉末的均匀混合，在混合粉末中加入数滴5wt％含量的聚乙烯醇(PVA)水溶液作为粘结剂以有利于后续的压模成型。
(b)用分层理论和有限元分析软件进行计算，优化设计不同Ag含量复合层的厚度。根据优化设计参数用天平称量不同Ag含量的PZT/Ag复合材料粉末，在圆筒型不锈钢模具中按照设定的顺序逐层铺放，各复合层的成分变化如图1所示。在粉末的铺放过程中须保持每层的平整以得到具有平直界面的复合层，并须注意控制模具压头的压力以避免出现分层剥离。
(c)在100MP压强下用压片机对不锈钢模具中的粉料进行压模成型。
(d)压模后的样品放入乳胶包套并浸入油体，在200MP压强下用冷等静压机对样品进行冷等静压处理。
(e)冷等静压处理后的样品放入封闭的氧化铝坩锅内烧结，并在样品周围放置PbZrO3粉末以防止样品中Pb的过量挥发。先在200℃温度附近保温半小时使得样品中的PVA完全挥发，最后在900-1200℃温度范围内保温1-2小时进行烧结。整个烧结过程在空气中进行。
(f)烧结后的圆片形样品上下表面打磨平整并涂覆银浆制备银电极，在1-2kV/cm的电场下，并在120℃的硅油中保持10分钟进行极化处理。
(g)极化处理后的样品在金刚石划片机上切割成方柱形状，并在方柱的上下表面牵引银导线。
本发明的有益效果在于，沿压电驱动器厚度方向依次增加Ag含量使得PZT/Ag压电复合材料具有依次递减的压电性能和随之递减的电致驱动性能，各复合层之间的协调变形避免了在层与层之间的界面处产生较大的应力集中。Ag第二相对于PZT基体的弥散强化和阻裂增韧作用大幅提高了压电驱动器的工作稳定性和服役寿命，因而尤其适用于在特定环境中长时、连续工作的关键器件和设备。研究结果表明，与PZT基体相比，加入15vol％的Ag使得PZT/Ag复合材料的断裂强度增加1倍以上，断裂韧性则增加3倍以上。图2所示为通过上述方法制备的一个功能梯度压电驱动器各成分层的显微结构形貌。从图2中可以看出，三个成分层的厚度均在0.3毫米左右，驱动器总厚度约为1.0毫米。1对图2所示功能梯度压电驱动器的上下表面施加直流电压，检测其在不同电场作用下的弯曲曲率k(可进一步换算为悬臂梁末端位移ε)。图3所示的检测结果表明，在400V以下的电压作用下，施加电压与弯曲曲率之间大致成线性关系，在400V以上弯曲曲率开始出现非线性的变化。检测结果与传统双晶片压电驱动器的计算结果相差不多，但本发明中功能梯度压电驱动器的力学性能和服役特性有明显提高。
附图说明
图1为陶瓷/金属功能梯度结构压电驱动器的结构示意图。
图2为制备得到的PZT/Ag三层复合材料的显微结构照片。
图3为所制备的压电驱动器在不同电场作用下的弯曲曲率变化。
具体实施方式
本发明所使用的PZT和Ag原料均为市售。
实施例1：
以市售的PZT粉末(日本Sakai化学工业公司，Zr/Ti摩尔比为0.516/0.484，平均粒径为0.97微米)和Ag粉末(日本高纯度化学公司，纯度为99.9wt％，平均粒径为2.0微米)为原料，在1200℃温度下烧结制备了PZT/5％Ag/15％Ag三层复合的功能梯度压电驱动器，各层厚度均为0.33毫米左右，悬臂梁尺寸为12×2×1毫米。
实施例2：
以市售的PZT粉末(日本Sakai化学工业公司，Zr/Ti摩尔比为0.516/0.484，平均粒径为0.97微米)和Ag粉末(日本高纯度化学公司，纯度为99.9wt％，平均粒径为2.0微米)为原料，在1160℃温度下烧结制备了PZT/1％Ag/5％Ag/10％Ag/15％Ag五层复合的功能梯度压电驱动器，各层厚度均为0.4毫米左右，悬臂梁尺寸为15×3×2毫米。
实施例3：
以市售的PZT粉末(日本Sakai化学工业公司，Zr/Ti摩尔比为0.516/0.484，平均粒径为0.97微米)和Ag粉末(日本高纯度化学公司，纯度为99.9wt％，平均粒径为2.0微米)为原料，在900℃温度下烧结制备了1％Ag/3％Ag/5％Ag/10％Ag/5％Ag/3％Ag/1％Ag七层复合的功能梯度压电驱动器，各层厚度均为0.2毫米左右，悬臂梁尺寸为8×2×1.5毫米。
Claims (5)
1.一种功能梯度结构的压电驱动器件，其特征在于：该器件上至下依次为银电极、PZT/Ag复合材料、银电极，复合材料中Ag含量为0-15vol％，每一PZT/Ag复合层的厚度为0.2-0.5毫米，压电驱动器件的总厚度为1-2毫米。
2.按照权利要求1所述的器件，其特征在于：所述的压电驱动器件层数为2-7层。
3.一种制备权利要求1所述的器件的方法，其特征在于：以Ag作为第二相加入PZT调控其介电和压电性能，通过逐层改变Ag含量形成由2-7层压电复合材料构成的功能梯度结构压电驱动器；首先进行Ag含量的优化设计并配比PZT和Ag的混合粉末，在模具中逐层堆叠不同Ag含量的混合粉末形成Ag成分的梯度变化，经过压模和冷等静压处理后采用普通烧结方法制备PZT/Ag压电复合材料，在复合材料的上下表面涂覆银电极，极化，切割成型，牵引导线，沿长度方向一端固定构成悬臂梁结构，制备得到PZT/Ag功能梯度结构的压电驱动器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述2-7层压电复合材料的烧结温度为900-1200℃。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述2-7层压电复合材料的Ag含量为0-15vol％。
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