CN101630923B - 弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器，同时公开了制备该驱动器的方法。本发明的弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器由至少五层压电陶瓷薄片组成，材料中间部分的组成和结构呈连续的梯度变化，而在内部不存在明显的界面，与传统的压电单、双晶片相比，具有更高的疲劳寿命，在纳米技术、精密测量、精细加工、微电子、机器人等领域具有广泛的应用前景。本发明的弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的制备方法，利用流延成型法制备功能梯度压电陶瓷，使各层压电陶瓷材料呈连续的梯度变化，使用常用的流延成型机即可实现该方法，制备过程简单。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种压电驱动器，尤其涉及一种压电弯曲驱动器，同时涉及该压电弯曲驱动器的制备方法。
二、背景技术
压电陶瓷材料是重要的功能材料，广泛应用于换能器，压电变压器，滤波器和超声马达等领域。压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。近几年来，压电陶瓷在全球每年销售量按15％左右的速度增长。据资料统计，2000年全球压电陶瓷产品销售额约达30亿美元以上。
压电陶瓷弯曲驱动器是利用逆压电效应制作的新型的固态执行器件，在精密光学、微型机械、微电子技术、计算机应用等高技术领域获得广泛应用。这些应用要求压电陶瓷器件向体积小、驱动电压低、位移量大、能集成化的方向发展，而以往用粘结剂将压电陶瓷单片粘结而成的多层压电陶瓷微驱动器，由于受单片陶瓷膜片厚度的限制(制作200um以下厚度的陶瓷单片已有相当的难度)，无法使器件小型化、集成化，且器件中的粘结剂使器件在电场作用下产生大的蠕变，不利于位移的精密控制，特别是器件在长时间高电场作用下，或反复使用后粘结剂易于陶瓷片剥落，造成器件性能恶化，甚至出现器件断裂现象，缩短了器件的使用寿命，给应用带来很大的不变。
功能梯度材料(Functionally Gradient Materials，简称FGM)是根据使用要求，选择多种不同性能的材料，应用先进的复合技术，使材料中间部分的组成和结构呈连续的梯度变化，而在内部不存在明显的界面，从而使材料的性质和功能沿空间也呈梯度变化的一种新型复合材料。FGM的研究，最初是为了满足航空航天领域恶劣的工作环境对结构材料的苛刻要求，然而随着研究的不断深入，其应用已扩大到能源、电子、光学、化学、生物医学、信息工程等诸多领域。
将功能梯度材料应用于驱动器方面，从而制备出一种新型的功能梯度压电驱动器，该驱动器产生弯曲变形的原理是：在电场的作用下，压电材料在驱动器的相对边沿驱动器的厚度方向会产生不同的平面应变，当平面应变的分布在厚度方向呈线性变化时，就会在没有内部应力的情况下产生自然的变形。但是在实际的制备过程中，材料属性的连续变化是难以实现的，取而代之的是多层材料的渐变结构。在本研究中，从弛豫型压电陶瓷体系中选择4种材料组分作为新型功能梯度压电驱动器的4个层，测试了这4种材料的属性参数，利用这些参数对功能梯度压电驱动器进行建模和理论分析，并对该驱动器各层间的厚度配比进行优化，根据优化设计的结果制备驱动器，并对其进行性能测试。
流延成型(Tape-casting，亦称Doctor-blading或Knife-coating)是薄片陶瓷材料的一种重要成型工艺。自Howatt首次报道用流延成型制造TiO2电容器以来，这一工艺作为一种成型大面积、小厚度(从几十微米到一毫米左右)陶瓷薄片的方法受到了广泛的重视。国外通过对流延设备的不断改进和对流延成型中各种问题的深入研究，使这一方法目前已广泛应用于陶瓷工业的生产中。如制造各种Al2O3陶瓷基片、各种类型的独石电容器、压电变压器和一些磁性元件等。并且利用流延成型工艺已经成功地制造出几百微米厚的高温超导陶瓷的带材，为超导材料的研究和未来的工业生产创造了良好的条件。
流延成型工艺包括浆料制备、球磨、成型、干燥、剥离基带等过程。该工艺的特点是设备简单，工艺稳定，可连续操作，生产效率高，可实现高度自动化。
流延成型的主要优点是适于成型大型薄板陶瓷或金属部件。这类部件几乎不可能或很难通过压制或挤制成型，而通过流延成型制造各种尺寸和形状的坯体则是十分容易的，而且可以保证坯体质量。
专利号为03129141.4、名称为“采用流延成型法制备功能梯度材料的方法”公开了一种运用流延成型法制备功能梯度材料的方法，在流延成型的过程中，通过改变磁场强度，制备出成分连续变化、面积大、薄平的功能梯度材料。
三、发明内容
1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器，同时提供一种弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的流延成型方法。
2、技术方案：为发解决上述的技术问题，本发明的弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器由至少五层压电陶瓷薄片组成，优选由5-20层压电陶瓷薄片组成，每层压电薄片的厚度为40～400um，驱动器的宽度为2-50mm，长度为5-200mm，厚度为0.2-2mm。其中每层压电陶瓷薄片的组成元素相同，但是各元素配比可以不相同，详见本发明提供了的以下几种技术方案：
方案一：本技术方案中压电陶瓷材料分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)x(ZryTi1-y)1-xO3，其中x＝0.1-0.5，y＝0.35-0.65，由至少五层以这种压电陶陶瓷材料为原料的压电陶瓷薄片组成，并且每层压电陶瓷薄片的组分配比不同。例如，第一层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)0.5(Zr0.47Ti0.53)0.5O3，第二层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)0.4(Zr0.47Ti0.53)0.6O3，第三层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)0.3(Zr0.47Ti0.53)0.7O3，第四层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)0.6(Zr0.47Ti0.53)0.4O3，第五层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)0.2(Zr0.47Ti0.53)0.8O3。
方案二：本技术方案中压电陶瓷材料分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)x(ZryTi1-y)1-xO3， 其中x＝0.1-0.5，y＝0.35-0.65，由至少五层以这种压电陶陶瓷材料为原料的压电陶瓷薄片组成，并且每层压电陶瓷薄片的组分配比不同。例如，第一层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.1(Zr0.5Ti0.5)0.9O3，第二层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.15(Zr0.5Ti0.5)0.85O3，第三层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.25(Zr0.5Ti0.5)0.75O3，第四层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.3(Zr0.5Ti0.5)0.7O3，第五层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.2(Zr0.5Ti0.5)0.8O3。
方案三：本技术方案中压电陶瓷材料分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)1-x TixO3，其中x＝0.1-0.5，由至少五层以这种压电陶陶瓷材料为原料的压电陶瓷薄片组成，并且每层压电陶瓷薄片的组分配比不同。例如，第一层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.655Ti0.345O3，第二层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.67Ti0.33O3，第三层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.68Ti0.32O3，第四层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3，第五层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.8Ti0.2O3，第六层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.93Ti0.07O3。
需要说明的是，本技术方案中的压电陶瓷采用的是弛豫型钙钛矿结构的压电陶瓷，其通式可表达为为ABO3，其中A位主要为Pb，B位主要为Zn、Mg、Ni、Nb、Zr、Ti等一种以上的元素组成，基本可以涵盖本领域常用的压电陶瓷材料。
本发明同时提供了一种弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的制备方法，其技术方案如下：
步骤一：根据需要制备的压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的分子式称取压电陶瓷粉体，并在陶瓷粉体加入混合溶剂和分散剂，进行球磨1-18小时；所述的混合溶剂可选取用丁酮和酒精的混合物，分散剂为玉米油；
步骤二：在步骤一所得的原料中加入粘结剂和增塑剂，进行二次球磨1-10小时，得到流延浆料；所述的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)；
步骤三：将步骤二得到的流延浆料置于容器例如烧杯中并脱泡2-24小时，一般置于小型真空脱泡机中进行脱泡；
步骤四：将流延成型机调至水平状态，保持第一道刀口比第二道刀口高5-20微米，同时保持设备干净，刀口、塑料胶带清洗干净；
步骤五：将步骤三所得的浆料倒入流延成型机的刀口槽中，调节流延成型机胶带的运动速率为0.1-1m/min，流延所需长度的薄片之后，将薄片在流延机上干燥1-15小时，然后把干燥好流延薄片连同胶带一起剪下；
步骤六：重复进行步骤一至步骤六，每次称取不同组分的粉体，得到至少5种不同组分的流延薄片；
步骤七：将步骤六中流延出来的流延薄片充分干燥后，剪成需要的尺寸，依次叠置并放在模具内静压，压强为40-400MPa；
步骤八：将步骤七中静压后得到的流延薄片放在密封的匣钵进行排胶，温度为500-800℃，时间为1-5小时；
步骤九：将步骤八得到的流延薄片进行烧结，烧结温度为1100-1300℃，保温1-5小时，然后以20℃/h从最高温度降至600℃，然后再自然降温至室温，得到弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器。
本方法使用的压电陶瓷粉体原料可能通过通常的方法制得，一般方法如下：
步骤一：按化学计量比称量各原料；
步骤二：利用行星球磨机，将步骤一中的原料进行球磨，球磨介质为乙醇；乙醇∶玛瑙球质量比约为1∶1∶2，球磨机转速为200r/min，球磨时间为4～6h；
步骤三：将球磨后的原料置于烘箱内，烘干，烘箱温度为80℃；
步骤四：利用步骤三中烘干的原料进行压片，将压好的片放至坩埚内，进行预烧，预烧温度为800～1050℃，得陶瓷粉体；
3、有益效果：
采用本发明提供的一种弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器，材料中间部分的组成和结构呈连续的梯度变化，而在内部不存在明显的界面，从而使材料的性质和功能沿空间也呈梯度变化，避免了器件在长时间高电场作用下，或反复使用后粘结剂陶瓷片剥落，造成器件性能恶化，甚至出现器件断裂的现象，缩短了器件的使用寿命等传统驱动器的缺点，与传统的压电单、双晶片相比，具有更高的疲劳寿命，在纳米技术、精密测量、精细加工、微电子、机器人等领域具有广泛的应用前景。本发明的弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的制备方法，利用流延成型法制备功能梯度压电陶瓷，使各层压电陶瓷材料呈连续的梯度变化，使用常用的流延成型机即可实现该方法，制备过程简单。
四、附图说明
图1是本发明一个实施例的弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的结构示意图。
五、具体实施方式
实施例一：
如图1所示，本实施例的弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器由五层压电陶瓷薄片组成，其基本分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)x(ZryTi1-y)1-xO3，其中x＝0.1-0.5，y＝0.35-0.65，第一层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)0.5(Zr0.47Ti0.53)0.5O3，第二层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)0.4(Zr0.47Ti0.53)0.6O3，第三层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)0.3(Zr0.47Ti0.53)0.7O3，第四层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)0.6(Zr0.47Ti0.53)0.4O3，第五层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)0.2(Zr0.47Ti0.53)0.8O3。每层压电薄片的厚度为40um，驱动器的宽度为2mm，长度为5mm，厚度为0.2mm。
实施例二：
如图1所示，本实施例的弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器由五层压电陶瓷薄片组成，其基本分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)x(ZryTi1-y)1-xO3，其中x＝0.1-0.5，y＝0.35-0.65，第一层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.1(Zr0.5Ti0.5)0.9O3，第二层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.15(Zr0.5Ti0.5)0.85O3，第三层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.25(Zr0.5Ti0.5)0.75O3，第四层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.3(Zr0.5Ti0.5)0.7O3，第五层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.2(Zr0.5Ti0.5)0.8O3。每层压电薄片的厚度为50um，驱动器的宽度为10mm，长度为100mm，厚度为0.25mm。
实施例三：
本实施例的弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器由六层压电陶瓷薄片组成，其基本分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)1-x TixO3，其中x＝0.1-0.5，第一层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.655Ti0.345O3，第二层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.67Ti0.33O3，第三层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.68Ti0.32O3，第四层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3，第五层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.8Ti0.2O3，第六层压电陶瓷薄片分子式为Pb(Mg1/3Nb2/3)0.93Ti0.07O3。每层压电薄片的厚度为300um，驱动器的宽度为50mm，长度为200mm，厚度为1.8mm。
实施例四：
本实施例涉及一种弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的制备方法，其技术方案如下：
步骤一：根据需要制备的压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的分子式称取压电陶瓷粉体，并在陶瓷粉体加入混合溶剂和分散剂，进行球磨1小时；所述的混合溶剂可选取用丁酮和酒精的混合物，分散剂为玉米油；
步骤二：在步骤一所得的原料中加入粘结剂和增塑剂，进行二次球磨1小时，得到流延浆料；所述的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)；
步骤三：将步骤二得到的流延浆料置于容器例如烧杯中并脱泡8小时，一般置于小型真空脱泡机中进行脱泡；
步骤四：将流延成型机调至水平状态，保持第一道刀口比第二道刀口高5微米，同时保持设备干净，刀口、塑料胶带清洗干净；
步骤五：将步骤三所得的浆料倒入流延成型机的刀口槽中，调节流延成型机胶带的运动速率为0.1m/min，流延所需长度的薄片之后，将薄片在流延机上干燥8小时，然后把干燥好流延薄片连同胶带一起剪下；
步骤六：重复进行步骤一至步骤六，每次称取不同组分的粉体，得到至少5种不同组分的流延薄片；
步骤七：将步骤六中流延出来的流延薄片充分干燥后，剪成需要的尺寸，例如宽度为10mm，长度为100mm，厚度为40um，依次叠置并放在模具内静压，压强为40-400MPa；
步骤八：将步骤七中静压后得到的流延薄片放在密封的匣钵进行排胶，温度为500℃，时间为1小时；
步骤九：将步骤八得到的流延薄片进行烧结，烧结温度为1100℃，保温1小时，然后以20℃/h从最高温度降至600℃，然后再自然降温至室温，得到弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器。
本实施例中压电陶瓷粉体的分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)x(ZryTi1-y)1-xO3，其中x＝0.1-0.5，y＝0.35-0.65。
实施例五：
本实施例涉及一种弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的制备方法，其技术方案如下：
步骤一：根据需要制备的压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的分子式称取压电陶瓷粉体，并在陶瓷粉体加入混合溶剂和分散剂，进行球磨18小时；所述的混合溶剂可选取用丁酮和酒精的混合物，分散剂为玉米油；
步骤二：在步骤一所得的原料中加入粘结剂和增塑剂，进行二次球磨10小时，得到流延浆料；所述的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)；
步骤三：将步骤二得到的流延浆料置于容器例如烧杯中并脱泡24小时，一般置于小型真空脱泡机中进行脱泡；
步骤四：将流延成型机调至水平状态，保持第一道刀口比第二道刀口高20 微米，同时保持设备干净，刀口、塑料胶带清洗干净；
步骤五：将步骤三所得的浆料倒入流延成型机的刀口槽中，调节流延成型机胶带的运动速率为1mm/min，流延所需长度的薄片之后，将薄片在流延机上干燥15小时，然后把干燥好流延薄片连同胶带一起剪下；
步骤六：重复进行步骤一至步骤六，每次称取不同组分的粉体，得到至少5种不同组分的流延薄片；
步骤七：将步骤六中流延出来的流延薄片充分干燥后，剪成需要的尺寸，例如厚度为300um，宽度为50mm，长度为200mm，再依次叠置并放在模具内静压，压强为400MPa；
步骤八：将步骤七中静压后得到的流延薄片放在密封的匣钵进行排胶，温度为800℃，时间为5小时；
步骤九：将步骤八得到的流延薄片进行烧结，烧结温度为1300℃，保温5小时，然后以20℃/h从最高温度降至600℃，然后再自然降温至室温，得到弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器。
本实施例中压电陶瓷粉体的分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)x(ZryTi1-y)1-xO3，其中x＝0.1-0.5，y＝0.35-0.65。
实施例六：
本实施例涉及一种弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的制备方法，其技术方案如下：
步骤一：根据需要制备的压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的分子式称取压电陶瓷粉体，并在陶瓷粉体加入混合溶剂和分散剂，进行球磨10小时；所述的混合溶剂可选取用丁酮和酒精的混合物，分散剂为玉米油；
步骤二：在步骤一所得的原料中加入粘结剂和增塑剂，进行二次球磨10小时，得到流延浆料；所述的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)；
步骤三：将步骤二得到的流延浆料置于容器例如烧杯中并脱泡16小时，一般置于小型真空脱泡机中进行脱泡；
步骤四：将流延成型机调至水平状态，保持第一道刀口比第二道刀口高15微米，同时保持设备干净，刀口、塑料胶带清洗干净；
步骤五：将步骤三所得的浆料倒入流延成型机的刀口槽中，调节流延成型机胶带的运动速率为0.5m/min，流延所需长度的薄片之后，将薄片在流延机上干燥12小时，然后把干燥好流延薄片连同胶带一起剪下；
步骤六：重复进行步骤一至步骤六，每次称取不同组分的粉体，得到至少5种不同组分的流延薄片；
步骤七：将步骤六中流延出来的流延薄片充分干燥后，剪成需要的尺寸，例如200um，宽度为30mm，长度为150mm，再依次叠置并放在模具内静压，压强为200MPa；
步骤八：将步骤七中静压后得到的流延薄片放在密封的匣钵进行排胶，温度为600℃，时间为5小时；
步骤九：将步骤八得到的流延薄片进行烧结，烧结温度为1000℃，保温5小时，然后以20℃/h从最高温度降至600℃，然后再自然降温至室温，得到弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器。
本实施例中压电陶瓷粉体的分子式为Pb(Zn1/3Nb2/3)x(ZryTi1-y)1-xO3，其中x＝0.1-0.5，y＝0.35-0.65。
Claims (4)
1.一种制备弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一：在陶瓷粉体加入混合溶剂和分散剂，进行球磨1～18小时；
步骤二：在步骤一所得的原料中加入粘结剂和增塑剂，进行二次球磨1-10小时，得到流延浆料；
步骤三：将步骤二得到的流延浆料置于容器中并脱泡2-24小时；
步骤四：将流延成型机调至水平状态，保持第一道刀口比第二道刀口高5-20微米；
步骤五：将步骤三所得的浆料倒入流延成型机的刀口槽中，调节流延成型机胶带的运动速率为0.1-1m/min，流延所需长度的薄片之后，将薄片在流延机上干燥1-15小时，然后把干燥好的流延薄片连同胶带一起剪下；
步骤六：重复进行步骤一至步骤六，以相同的陶瓷粉体原料调整配比得到至少5种不同组分的流延薄片；
步骤七：将步骤六中流延出来的流延薄片充分干燥后，剪成需要的尺寸，依次叠置并放在模具内静压，压强为40-400MPa；
步骤八：将步骤七中静压后得到的流延薄片放在密封的匣钵进行排胶，温度为500-800℃，时间为1-5小时；
步骤九：将步骤八得到的流延薄片进行烧结，烧结温度为1100-1300℃，保温1-5小时，然后以20℃/h从最高温度降至600℃，然后再自然降温至室温，得到弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器。
2.如权利要求1所述的制备弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的方法，其特征在于，步骤一中对所述的压电陶瓷粉体进行预烧，预烧温度为800～1050℃。
3.如权利要求1所述的制备弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的方法，其特征在于，步骤一中的混合溶剂为丁酮和酒精的混合物，分散剂为玉米油。
4.如权利要求1所述的制备弛豫型压电陶瓷功能梯度弯曲驱动器的方法，其特征在于，步骤二中的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。
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