CN107093664B - 一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器及制备方法 - Google Patents

一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器及制备方法。本发明采用压电陶瓷板包括n个基本畴单元，每一个基本畴单元包括取向垂直的c畴和a畴；在单向正电场的作用下，a畴由非180°畴变引起的畴变应变的伸长量显著大于与其相邻的c畴由压电效应引起的压电应变的伸长量，从而在a畴和c畴的界面由于应变失配产生失配应力，两侧的c畴处于受拉的状态；当电场撤去，使致动应变回到零点，实现可恢复致动应变；本发明提供了利用工业压电陶瓷产生超大致动应变的解决方案；本发明制备工艺简单、成本低廉，适合工业批量生产，且致动应变远远高于常规的压电致动器，可以预见本发明将极大地推动压电致动器的进一步广泛应用。

Description

一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器及制备方法
技术领域
本发明属于精密驱动元件及智能材料技术领域，具体涉及一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器及其制备方法。
背景技术
压电陶瓷致动器由于具有响应速度快、位移精度高、控制方便、体积小等优势，在纳米技术、精密测量、精细加工、微电子、机器人等领域得到了广泛的应用。目前应用的压电致动器主要由锆钛酸铅(PZT)陶瓷制成。PZT陶瓷在工业中已经应用了半个多世纪，它的性能可以通过改变化学组分在很大范围内进行调整。应用于致动器的主要是软性PZT，其压电系数d33很大，矫顽电场较低，但致动器主要应用PZT陶瓷的压电性能。在常用的电场范围(2kV/mm以内)，PZT陶瓷的致动应变只有0.1～0.15％，远低于形状记忆合金的致动应变(可达百分之几)，同时也低于近年来发展起来的超磁致伸缩致动器的致动应变(～0.2％)。近年来学者们采用各种方法来提高压电材料的电致应变，主要有三类途径：1)发展弛豫型铁电单晶(如(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)，(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PZN-PT))，通过电场诱导相变来提高其电致应变，最大应变可达1％以上(Seung-Eek Park andThomas R.Shrout,Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor basedferroelectric single crystals,Journal of Applied Physics,1997,82,1804)，但铁电单晶一方面成本很高，另一方面其电致应变在施加预应力的时候下降很快(如PMN-PT单在施加20MPa预应力时，其致动应变只有约0.2-0.3％)；2)发展无铅压电陶瓷，同样通过电场诱导的铁电相变产生大应变，文献中报道在很高的电场(4kV/mm以上)下，电致应变可达0.4～0.5％，但是在常用的低电场(2kV/mm)范围内，其致动应变一般不超过0.2％，而且无铅应变陶瓷的应变滞回一般都很大，通常大于50％，难以用于精密控制中(Xiaoming Liu andXiaoli Tan，Giant Strains in Non-Textured(Bi1/2Na1/2)TiO3-Based Lead-FreeCeramics,Advaced Materials,2016,28,574-578；Jian Fu,Zuo Ruzhong et al.,Lowelectric-field driven ultrahigh electrostrains in Sb-substituted(Na,K)NbO3lead-free ferroelectric ceramics,Applied Physics Letters,2014,105,242903)；3)通过可逆的非180度畴变来实现大的电致应变。如Burcsu et al(E.Burcsu,G.Ravichandran,and K.Bhattacharya,Large strain electrostrictive actuation inbarium titanate,Applied Physics Letters,2000,77,1698)通过力电耦合加载，在钛酸钡单晶中实现了大于0.7％的电致应变，但他们施加的是双向电场，实际上无法对应变进行准确控制；任晓兵(Xiaobing Ren,Large electric-field-induced strain inferroelectric crystals by point-defect-mediated reversible domain switching,Nature Materials,2004,3,91-94)通过在钛酸钡单晶中引入老化缺陷，实现了0.8％的可逆应变，但这种方法产生的应变稳定性不好，经过多次循环后，由于缺陷产生的内偏场具有弛豫特性，可逆应变会逐渐变小；北京大学李法新课题组(Yingwei,Li；and Faxin Li,Ultrahigh actuation strains in BaTiO3and Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3single crystalsviareversible electromechanical domain switching,Applied Physics Letters,2013,102,152905)通过单向电场和预应力的耦合加载，在钛酸钡单晶和PMN-PT单晶中分别实现了高达0.93％和0.65％的超大致动应变，其稳定性也较好，但这种方法一方面需要外加预应力的装置，另一方面只能适用于铁电单晶中，在工业应用中受到了限制。
发明内容
针对现在广泛使用的压电致动器由于致动应变较小带来的各种弊端，本发明通过在压电陶瓷中进行周期性正交极化的结构设计，在施加电场过程中通过不同极化区域之间的界面失配应变来自动产生预应力，使得非180度畴变可逆，从而产生可逆的超大致动应变，无需额外的预应力装置，将有力推动压电致动器的进一步广泛应用。
本发明的一个目的在于提出一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器。
本发明的周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器包括：压电陶瓷板和电极；其中，压电陶瓷板的形状为l×w×h的长方体，长方体的高为h，水平尺寸为l×w，水平方向包括互相垂直的第一方向和第二方向，均与高度方向垂直，第一方向的长度为l，第二方向的长度为w，沿着压电陶瓷板的高度方向取向的电畴为c畴，向上为c+畴，向下为c-畴，沿着压电陶瓷板的第二方向取向的电畴为a畴，向上为a+畴，向下为a-畴；沿第一方向，压电陶瓷板包括n个基本畴单元，n≥1；每一个基本畴单元包括两个c畴及二者之间的一个a畴，两个c畴的取向一致；相邻的两个基本畴单元共用一个c畴，或者具有独立的c畴；各个基本畴单元的c畴的取向相同，a畴的取向相同或不同；在压电陶瓷板的两个水平表面l×w分别设置有电极，连接至外部的驱动电压，驱动电压施加的电场的方向与c畴的取向一致；外部的驱动电压通过电极向压电陶瓷板施加单向正电场，每一个基本畴单元在单向正电场的作用下，c畴由于压电效应发生伸长变形，a畴由于电场方向与取向垂直，产生非180°畴变，a畴由非180°畴变引起的畴变应变显著大于与其相邻的c畴由压电效应引起的压电应变，从而在a畴和c畴的界面由于应变失配产生失配应力，失配应力使翻转的a畴处于受压状态，两侧的c畴处于受拉的状态；当电场撤去，在电场作用下发生畴变的a畴将在失配应力的作用下发生回复翻转，从而使致动应变回到零点，实现可恢复致动应变。
在每一个基本畴单元中，按照c畴、a畴、c畴顺序排列，沿第一方向的尺寸比例为能使a畴在电场作用下发生非180°可回复翻转的尺寸比例。
压电陶瓷板采用锆钛酸铅PZT系列压电陶瓷，或者铁电型的压电陶瓷，如BaTiO3陶瓷。
进一步，本发明的大应变压电陶瓷致动器包括多层压电陶瓷板；多层压电陶瓷板沿高度方向叠放；上下相邻的两层压电陶瓷板的c畴的取向相反，a畴的取向相互垂直；上下相邻的两层压电陶瓷板共用一个电极面，连接至外部的驱动电压的同一电极；每一层的压电陶瓷板的两个相对的水平表面分别连接至外部的驱动电压的相反的电极。各层的水平尺寸一致。致动位移＝应变×高度，本发明通过采用多层压电陶瓷板，能够将每一层的厚度减小，从而驱动电压就可以变小，通过增加层数，提高整体位移量。
本发明的另一个目的在于提供一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器的制备方法。
本发明的周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器的制备方法，包括以下步骤：
1)将烧结好的压电陶瓷切割成l×w×h的长方体，形成压电陶瓷板，长方体的高为h，水平尺寸为l×w，水平方向包括互相垂直的第一方向和第二方向，均与高度方向垂直，第一方向的长度为l，第二方向的长度为w；
2)沿高度方向极化：
在l×w面制备上电极，将压电陶瓷板沿高度方向极化，形成c畴，极化的原则是使材料的剩余极化达到最大值，极化好后去掉电极；
3)沿第二方向极化：
虚拟地将压电陶瓷板沿第一方向分割成小块，间隔地在小块的l×h面上制备电极，将虚拟的小块沿第二方向极化，形成a畴，极化好后去掉电极，从而得到沿第一方向，压电陶瓷板包括n个基本畴单元，n≥1，每一个基本畴单元包括两个c畴及二者之间的一个a畴，两个c畴的取向一致，相邻的两个基本畴单元共用一个c畴，或者具有独立的c畴，各个基本畴单元的c畴的取向相同，a畴的取向相同或不同；
4)在压电陶瓷板的两个水平表面l×w分别制备电极，连接至外部的驱动电压，驱动电压施加的电场的方向与c畴的取向一致；
5)外部的驱动电压通过电极向压电陶瓷板施加单向正电场，每一个基本畴单元在单向正电场的作用下，c畴由于压电效应发生伸长变形，a畴由于电场方向和取向垂直，将产生非180°畴变，a畴由非180°畴变引起的畴变应变的伸长量显著大于与其相邻的c畴由压电效应引起的压电应变的伸长量，从而在a畴和c畴的界面由于应变失配产生失配应力，失配应力使翻转的a畴处于受压状态，两侧的c畴处于受拉的状态；当电场撤去，在电场作用下发生畴变的a畴将在失配应力的作用下发生回复翻转，从而使致动应变回到零点，实现可恢复致动应变。
进一步，还包括将多层压电陶瓷板沿高度方向叠放；上下相邻的两层压电陶瓷板的c畴的取向相反，a畴的取向相互垂直；上下相邻的两层压电陶瓷板共用一个电极面，连接至外部的驱动电压的同一电极；每一层的压电陶瓷板的两个相对的水平表面分别连接至外部的驱动电压的相反的电极。
在步骤1)中，压电陶瓷板采用PZT系列陶瓷，或者铁电型的陶瓷。
本发明的优点：
本发明采用压电陶瓷板包括n个基本畴单元，每一个基本畴单元包括取向垂直的c畴和a畴，施加的电场的方向与c畴的取向一致；在单向正电场的作用下，c畴由于压电效应发生伸长变形，a畴由于电场方向与取向垂直，将产生非180°畴变，a畴由非180°畴变引起的畴变应变的伸长量显著大于与其相邻的c畴由压电效应引起的压电应变的伸长量，从而在a畴和c畴的界面由于应变失配产生失配应力，失配应力使翻转的a畴处于受压状态，两侧的c畴处于受拉的状态；当电场撤去，在电场作用下发生畴变的a畴将在失配应力的作用下发生回复翻转，从而使致动应变回到零点，实现可恢复致动应变；本发明提供了利用工业压电陶瓷产生超大致动应变的解决方案；本发明制备工艺简单、成本低廉，适合工业批量生产，且致动应变远远高于常规的压电致动器，可以预见本发明将极大地推动压电致动器的进一步广泛应用。
附图说明
图1为本发明的周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器的实施例一的结构示意图；
图2为本发明的周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器的实施例一的原理图；
图3为根据本发明的周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器的实施例一的致动应变图；
图4为本发明的周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器的实施例二的结构示意图；
图5为本发明的周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器的实施例三的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一
如图1所示，本实施例的周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器包括：压电陶瓷板和电极；其中，压电陶瓷板的形状为15mm×3mm×2mm的长方体，长方体的高为h＝15mm，水平尺寸l×w为3mm×2mm，沿长度方向为第一方向l＝3mm，沿宽度方向为第二方向w＝2mm，为方便描述，沿着压电陶瓷板的高度方向取向的电畴为c畴，向上为c+畴，向下为c-畴，沿着压电陶瓷板的第二方向取向的电畴为a畴，向上为a+畴，向下为a-畴；沿长度方向，压电陶瓷板包括2个基本畴单元，c+畴和a畴沿长度方向的尺寸比例为1:1:1；每一个基本畴单元包括两个c+畴及二者之间的一个a畴；相邻的两个基本畴单元共用一个c畴；a畴的取向不同；在压电陶瓷板的两个水平表面l×w分别设置有电极，连接至外部的驱动电压，驱动电压施加的电场的方向与c畴的取向一致。
如图2所示，外部的驱动电压通过电极向压电陶瓷板施加单向正电场，每一个基本畴单元在单向正电场的作用下，c畴由于压电效应发生伸长变形，a畴由于电场方向与取向垂直，将产生非180°畴变，a畴由非180°畴变引起的畴变应变的伸长量显著大于与其相邻的c畴由压电效应引起的压电应变的伸长量，从而在a畴和c畴的界面由于应变失配产生失配应力τ，失配应力使翻转的a畴处于受压状态，两侧的c畴处于受拉的状态；当电场撤去，在电场作用下发生畴变的a畴将在失配应力的作用下发生回复翻转，从而使致动应变回到零点，实现可恢复致动应变。
在本实施例中，本发明的周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器的制备方法，包括以下步骤：
1)将烧结好的PZT-5H压电陶瓷切割成15mm×3mm×2mm的长方体，形成压电陶瓷板，高为h＝15mm，水平尺寸l×w为3mm×2mm，沿长度方向为第一方向l＝3mm，沿宽度方向为第二方向w＝2mm。
2)沿高度方向极化：
在15mm×3mm面制备上电极，采用油浴极化的方式将压电陶瓷板缓慢升温至110℃，然后施加1.5kV/mm的直流电场，保温保载15分钟后，将温度降至50度，然后撤去电场，从而沿高度方向形成c畴；将极化后的陶瓷在室温下老化24小时。
3)沿宽度方向极化：
虚拟地将压电陶瓷板沿长度方向分割成5个小块，从左至右依次为第一至第五小块；将第二小块和第四小块的侧面(即15mm×2mm上的对应的部分)用离子溅射仪制备电极，在80℃的温度环境(油浴)将虚拟的第二小块和第四小块沿宽度方向极化，形成a畴，在室温下老化24小时后，将侧面电极去掉，从而得到沿长度方向，压电陶瓷板包括2个基本畴单元，每一个基本畴单元包括两个c畴及二者之间的一个a畴，两个c畴的取向一致，相邻的两个基本畴单元共用一个c畴，a畴的取向不同；
4)在压电陶瓷板的两个水平表面15mm×3mm分别制备电极，连接至外部的驱动电压，驱动电压施加的电场的方向与c畴的取向一致；
5)外部的驱动电压通过电极向压电陶瓷板施加单向正电场，每一个基本畴单元在单向正电场的作用下，c畴由于压电效应发生伸长变形，a畴由于电场方向与取向垂直，将产生非180°畴变，a畴由非180°畴变引起的畴变应变的伸长量显著大于与其相邻的c畴由压电效应引起的压电应变的伸长量，从而在a畴和c畴的界面由于应变失配产生失配应力τ，失配应力使翻转的a畴处于受压状态，两侧的c畴处于受拉的状态；当电场撤去，在电场作用下发生畴变的a畴将在失配应力的作用下发生回复翻转，从而使致动应变回到零点，实现可恢复致动应变，如图2所示。
图3展示了本实施例所制备的周期性正交极化的致动器在单向电场作用下的应变和电场图。可以看到，在2kV/mm处，致动应变可以达到0.5％以上。对应的，图3同时给出了传统基于压电效应的PZT-5H的电致应变图，可以发现其在2kV/mm处的致动应变仅约0.13％。
实施例二
如图4所示，在本实施例中，相邻的两个基本畴单元具有独立的c畴；a畴的取向相同。其他同实施例一。
实施例三
如图5所示，本实施例中，应变压电陶瓷致动器包括多层压电陶瓷板；多层压电陶瓷板沿高度方向叠放；上下相邻的两层压电陶瓷板的c畴的取向相反，a畴的取向相互垂直；图5中为了体现每一层的电畴结构，将相邻的两层分开了，实际中相邻的两层压电陶瓷板是相连的，且上下相邻的两层压电陶瓷板共用一个电极面，连接至外部的驱动电压的同一电极；每一层的压电陶瓷板的两个相对的水平表面分别连接至外部的驱动电压的相反的电极。每一层压电陶瓷板的外侧边缘形状相同，具有各自独立的坐标系，各层的高度相同或不同。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器，其特征在于，所述大应变压电陶瓷致动器包括：压电陶瓷板和电极；其中，所述压电陶瓷板的形状为l×w×h的长方体，长方体的高为h，水平尺寸为l×w，水平方向包括互相垂直的第一方向和第二方向，均与高度方向垂直，第一方向的长度为l，第二方向的长度为w，沿着压电陶瓷板的高度方向取向的电畴为c畴，向上为c+畴，向下为c-畴，沿着压电陶瓷板的第二方向取向的电畴为a畴，向上为a+畴，向下为a-畴；沿第一方向，所述压电陶瓷板包括n个基本畴单元，n≥1；每一个基本畴单元包括两个c畴及二者之间的一个a畴，两个c畴的取向一致；相邻的两个基本畴单元共用一个c畴，或者具有独立的c畴；各个基本畴单元的c畴的取向相同，a畴的取向相同或不同；在压电陶瓷板的两个水平表面l×w分别设置有电极，连接至外部的驱动电压，驱动电压施加的电场的方向与c畴的取向一致；外部的驱动电压通过电极向压电陶瓷板施加单向正电场，每一个基本畴单元在单向正电场的作用下，c畴由于压电效应发生伸长变形，a畴由于电场方向与取向垂直，产生非180°畴变，a畴由非180°畴变引起的畴变应变显著大于与其相邻的c畴由压电效应引起的压电应变，从而在a畴和c畴的界面由于应变失配产生失配应力，失配应力使翻转的a畴处于受压状态，两侧的c畴处于受拉的状态；当电场撤去，在电场作用下发生畴变的a畴将在失配应力的作用下发生回复翻转，从而使致动应变回到零点，实现可恢复致动应变。
2.如权利要求1所述的大应变压电陶瓷致动器，其特征在于，所述压电陶瓷板采用铁电型的压电陶瓷。
3.如权利要求1所述的大应变压电陶瓷致动器，其特征在于，包括多层压电陶瓷板；所述多层压电陶瓷板沿高度方向叠放；上下相邻的两层压电陶瓷板的c畴的取向相反，a畴的取向相互垂直；上下相邻的两层压电陶瓷板共用一个电极面，连接至外部的驱动电压的同一电极；每一层的压电陶瓷板的两个相对的水平表面分别连接至外部的驱动电压的相反的电极。
4.一种周期性正交极化的大应变压电陶瓷致动器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)将烧结好的压电陶瓷切割成l×w×h的长方体，形成压电陶瓷板，长方体的高为h，水平尺寸为l×w，水平方向包括互相垂直的第一方向和第二方向，均与高度方向垂直，第一方向的长度为l，第二方向的长度为w；
2)沿高度方向极化：
在l×w面制备上电极，将压电陶瓷板沿高度方向极化，形成c畴，极化好后去掉电极；
3)沿第二方向极化：
虚拟地将压电陶瓷板沿第一方向分割成小块，间隔地在小块的l×h面上制备电极，将虚拟的小块沿第二方向极化，形成a畴，极化好后去掉电极，从而得到沿第一方向，压电陶瓷板包括n个基本畴单元，n≥1，每一个基本畴单元包括两个c畴及二者之间的一个a畴，两个c畴的取向一致，相邻的两个基本畴单元共用一个c畴，或者具有独立的c畴，各个基本畴单元的c畴的取向相同，a畴的取向相同或不同；
4)在压电陶瓷板的两个水平表面l×w分别制备电极，连接至外部的驱动电压，驱动电压施加的电场的方向与c畴的取向一致；
5)外部的驱动电压通过电极向压电陶瓷板施加单向正电场，每一个基本畴单元在单向正电场的作用下，c畴由于压电效应发生伸长变形，a畴由于电场方向和取向垂直，将产生非180°畴变，a畴由非180°畴变引起的畴变应变的伸长量显著大于与其相邻的c畴由压电效应引起的压电应变的伸长量，从而在a畴和c畴的界面由于应变失配产生失配应力，失配应力使翻转的a畴处于受压状态，两侧的c畴处于受拉的状态；当电场撤去，在电场作用下发生畴变的a畴将在失配应力的作用下发生回复翻转，从而使致动应变回到零点，实现可恢复致动应变。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括将多层压电陶瓷板沿高度方向叠放；上下相邻的两层压电陶瓷板的c畴的取向相反，a畴的取向相互垂直；上下相邻的两层压电陶瓷板共用一个电极面，连接至外部的驱动电压的同一电极；每一层的压电陶瓷板的两个相对的水平表面分别连接至外部的驱动电压的相反的电极。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，压电陶瓷板采用铁电型的压电陶瓷。
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