CN101355135B - 一种铌酸钾钠/铜功能梯度结构压电驱动器件的制备方法 - Google Patents
一种铌酸钾钠/铜功能梯度结构压电驱动器件的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种铌酸钾钠/铜功能梯度结构压电驱动器件的制备方法，属于弯曲型压电驱动器技术领域。特征是利用气氛烧结方法将锂掺杂铌酸钾钠无铅压电陶瓷和贱金属铜进行复合，并形成铜含量梯度变化的铌酸钾钠/铜多层复合材料，在复合材料的上下表面和沿厚度中心部位涂覆银电极并切割成型，制备得到铌酸钾钠/铜功能梯度结构压电驱动器。铌酸钾钠/铜复合材料的铜含量最高为40vol％，烧结温度为1020～1100℃，烧结气氛氧含量为0.5％～3ppm。本发明的优点在于，金属铜加入铌酸钾钠陶瓷所形成的压电性能梯度变化使得各复合层协调变形，并且金属铜的弥散强化和阻裂增韧作用大幅提高悬臂梁结构压电驱动器的工作可靠性和服役寿命；无铅压电陶瓷铌酸钾钠属于环境友好材料，贱金属铜有利于降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于弯曲型压电驱动器技术领域，特别是提供了一种功能梯度结构压电驱动器件的制备方法。应用于微位移或微流量控制，可长期稳定工作并且环境友好的无铅压电陶瓷/贱金属功能梯度结构压电驱动器。
背景技术
压电陶瓷驱动器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。弯曲型压电驱动器的工作原理是，固定压电双晶片的一端制成悬臂梁结构从而在另一自由端产生驱动位移。由于传统的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，因而在服役过程中经常出现界面应力集中和开裂现象。近年来，功能梯度材料被用来解决这一问题。例如，孟中岩等在国内率先研究功能梯度结构压电驱动器，先后制备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，48(1995)169-176)。美国弗吉尼亚州的Kahn等为了减少压电驱动器内部应力集中，通过掺杂金属氧化物形成压电性能的梯度变化，从而产生相互协调的应力变形(M.Kahn et al.，“Actuator with gradedactivity”，美国专利号：US5519278A(1996))。然而，在以上所述的功能梯度压电驱动器中，通过添加异质陶瓷所形成的陶瓷/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。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.，79(2001)2441-2443)。北京科技大学张海龙等用Ag代替Pt制备了PZT/Ag功能梯度压电驱动器(张海龙等，发明专利，公开号：CN1945869，公开日：2007年4月11日)。压电陶瓷/金属功能梯度结构不仅克服了双晶片压电驱动器的界面应力集中，而且金属第二相的弥散强化还大幅提高了压电复合材料的基体强度和断裂韧性。尽管PZT/Pt和PZT/Ag功能梯度压电驱动器综合性能优越，然而Pt和Ag价格昂贵从而限制其广泛应用；并且PZT陶瓷含有大量Pb对环境有害。本发明的核心内容就是用无铅压电陶瓷代替PZT，并用贱金属代替Pt和Ag，制备无铅压电陶瓷/贱金属功能梯度结构压电驱动器件。
发明内容
本发明的目的在于，以锂掺杂改性铌酸钾钠无铅压电陶瓷(LKNN)作为基体并以贱金属Cu作为第二相，提供一种铌酸钾钠/铜功能梯度结构压电驱动器件的制备方法，用贱金属Cu代替贵金属Pt和Ag，降低生产成本。
一种铌酸钾钠/铜功能梯度结构压电驱动器件的制备方法，其特征在于：工艺步骤为：
(1)按照氧化物混合法制备锂掺杂铌酸钾钠无铅压电陶瓷：以K2CO3，Na2CO3，Li2CO3，Nb2O5粉末为原料，采用原子百分比按照化学式LixK0.5-0.5xNa0.5-0.5xNbO3进行配料、混合、煅烧，其中0.00≤x≤0.20；
(2)将烧结得到的铌酸钾钠陶瓷块体破碎，并和铜配制混合粉末，铜占混合粉末总量的1～40vol％；配制混合粉末时至少研磨半小时，并在混合粉末中加入0.1～0.5vol％的粘结剂，其中粘结剂为聚乙烯醇含量占3～7wt％的水溶液；
(3)将不同铜含量的铌酸钾钠/铜混合粉末铺放在模具中，在80～130MPa下用压片机压模成型；
(4)将压模成型后的产品放入坩锅内，再将坩锅放入加热炉内；从室温开始以40～60℃/min的速度升温至1020～1100℃，在1020～1100℃温度下保温1～2小时进行烧结，随炉冷却，获得铜含量梯度变化的铌酸钾钠/铜压电复合材料圆片形样品；
(5)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30～50kV/cm的电场下，并在120℃的硅油中保持30min进行极化处理；
(6)将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和沿厚度中心部位牵引银导线。
在从室温升温至烧结温度、保温烧结、随炉冷却的整个过程中，在加热炉中通入氧含量在0.5％～3ppm之间的保护气氛，通入气体压力为1.2～1.8个大气压。
所制备的铌酸钾钠/铜功能梯度结构压电驱动器各复合层的铜含量在0～40vol％之间，所述的压电驱动器件层数为2～7层，每层厚度在0.2～0.5毫米之间，压电驱动器中悬臂梁的长度和厚度分别在8～16毫米和1～2毫米之间。所述压电驱动器的优化结构为LKNN/5％Cu/40％Cu/5％Cu/LKNN(双梯度结构)，各层厚度为0.25/0.25/0.25/0.25/0.25毫米，驱动器总厚度约为1.25毫米，各成分层的显微结构形貌如图1所示。同时，本发明还制备了单梯度结构的压电驱动器，其成分组成为LKNN/1％Cu/3％Cu/10％Cu，各层厚度为0.25/0.25/0.25/0.25毫米，驱动器总厚度约为1毫米。对上述两种不同梯度结构的压电驱动器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2所示的检测结果表明，在100～500V的电压作用下，施加电压与弯曲曲率之间大致成线性关系。在相同电压作用下，双梯度结构压电驱动器所产生的弯曲曲率大于单梯度结构压电驱动器。
本发明的优点在于，沿驱动器厚度方向依次增加铜含量使得铌酸钾钠/铜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在层与层之间的界面处产生较大的应力集中。铜第二相对于铌酸钾钠陶瓷基体的弥散强化和阻裂增韧作用大幅提高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。由于金属第二相的增韧和强化作用，本发明中功能梯度结构压电驱动器的力学性能和服役特性明显提高。另一方面，本发明采用无铅压电陶瓷铌酸钟钠(LKNN)代替含铅压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)，有利于保护环境；同时采用贱金属Cu代替贵金属Pt和Ag，降低生产成本有利于推广应用。
附图说明
图1为制备的铌酸钾钠/铜多层复合材料的显微结构照片。
图2为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K2CO3、Na2CO3、Li2CO3、Nb2O5和Cu原料均为市售。
实施例1：
以市售的K2CO3粉末(北京化学试剂厂，纯度99％)、Na2CO3粉末(北京化学试剂厂，纯度99.8％)、Li2CO3粉末(北京化学试剂厂，纯度99.5％)和Nb2O5粉末(江西宜丰桂族钽铌有限公司，纯度99.4％)为原料，按照化学式LixK0.5-0.5xNa0.5-0.5xNbO3(0.00≤x≤0.20)进行配料、混合、煅烧，然后将煅烧合成的锂掺杂铌酸钾钠(LKNN)粉末与Cu粉末(美国New Jersey化学公司，纯度99％，平均粒径45微米)研磨混合，混合粉末压模成型后在1060℃温度下烧结制备了LKNN/5％Cu/40％Cu/5％Cu/LKNN五层复合的圆片形样品，各层厚度均为0.25毫米左右。圆片形样品极化、切割、引线后获得功能梯度结构压电驱动器，尺寸约为15×3×1.3毫米，在500V外加电压作用下的弯曲曲率为0.10m-1。
实施例2：
以市售的K2CO3粉末(北京化学试剂厂，纯度99％)、Na2CO3粉末(北京化学试剂厂，纯度99.8％)、Li2CO3粉末(北京化学试剂厂，纯度99.5％)和Nb2O5粉末(江西宜丰桂族钽铌有限公司，纯度99.4％)为原料，按照化学式LixK0.5-05xNa0.5-0.5xNbO3(0.00≤x≤0.20)进行配料、混合、煅烧，然后将煅烧合成的锂掺杂铌酸钾钠(LKNN)粉末与Cu粉末(美国New Jersey化学公司，纯度99％，平均粒径45微米)研磨混合，混合粉末压模成型后在1020℃温度下烧结制备了LKNN/1％Cu/3％Cu/10％Cu四层复合的圆片形样品，各层厚度均为0.25毫米左右。圆片形样品极化、切割、引线后获得功能梯度结构压电驱动器，尺寸约为15×3×1毫米，在500V外加电压作用下的弯曲曲率为0.05m-1。
实施例3：
以市售的K2CO3粉末(北京化学试剂厂，纯度99％)、Na2CO3粉末(北京化学试剂厂，纯度99.8％)、Li2CO3粉末(北京化学试剂厂，纯度99.5％)和Nb2O5粉末(江西宜丰桂族钽铌有限公司，纯度99.4％)为原料，按照化学式LixK0.5-0.5xNa0.5-0.5xNbO3(0.00≤x≤0.20)进行配料、混合、煅烧，然后将煅烧合成的锂掺杂铌酸钾钠(LKNN)粉末与Cu粉末(美国New Jersey化学公司，纯度99％，平均粒径45微米)研磨混合，混合粉末压模成型后在1100℃温度下烧结制备了LKNN/1％Cu/3％Cu/10％Cu/3％Cu/1％Cu/LKNN七层复合的圆片形样品，各层厚度均为0.2毫米左右。圆片形样品极化、切割、引线后获得功能梯度结构压电驱动器，尺寸约为15×3×1.4毫米，在500V外加电压作用下的弯曲曲率为0.08m-1。
Claims (2)
1.一种压电驱动器件的制备方法，其特征在于：工艺步骤为：
(1)按照氧化物混合法制备锂掺杂铌酸钾钠无铅压电陶瓷：以K2CO3，Na2CO3，Li2CO3，Nb2O5粉末为原料，采用原子百分比按照化学式LixK0.5-0.5xNa0.5-0.5xNbO3进行配料、混合、煅烧，其中0.00≤x≤0.20；
(2)将烧结得到的铌酸钾钠陶瓷块体破碎，并和铜配制混合粉末，铜占混合粉末总量的1～40vol％；配制混合粉末时至少研磨半小时，并在混合粉末中加入0.1～0.5vol％的粘结剂，其中粘结剂为聚乙烯醇含量占3～7wt％的水溶液；
(3)将不同铜含量的铌酸钾钠/铜混合粉末铺放在模具中，在80～130MPa下用压片机压模成型；
(4)将压模成型后的产品放入坩锅内，再将坩锅放入加热炉内；从室温开始以40～60℃/min的速度升温至1020～1100℃，在1020～1100℃温度下保温1～2小时进行烧结，随炉冷却，获得铜含量梯度变化的铌酸钾钠/铜压电复合材料圆片形样品；
(5)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30～50kV/cm的电场下，并在120℃的硅油中保持30min进行极化处理；
(6)将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和沿厚度中心部位牵引银导线；铌酸钾钠和铜功能梯度结构压电驱动器件各复合层的铜含量在0～40vol％之间，压电驱动器件层数为4～7层，每层厚度在0.2～0.25毫米之间，压电驱动器件中悬臂梁的长度和厚度分别在8～16毫米和1～2毫米之间。
2.按照权利要求1所述的一种压电驱动器件的制备方法，其特征在于：所述压电驱动器件的结构为双梯度结构，即LKNN/5％Cu/40％Cu/5％Cu/LKNN，各层厚度为0.25/0.25/0.25/0.25/0.25毫米，驱动器件总厚度为1.25毫米。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100602 Termination date: 20120905 |