CN109836150A - 一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，所述织构化高温压电陶瓷具体包括<001>晶向的PbTiO3模板晶体材料、钪酸铋钛酸铅高温压电基体材料；所述钪酸铋钛酸铅高温压电基体材料的通式为xBiScO3‑(1‑x)PbTiO3，并且0.3≤x≤0.5；所述多层陶瓷致动器的制备流程包括：先制备出高温煅烧的钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷粉体，然后将钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷粉体、PbTiO3模板晶体材料和CuO助烧剂混合，并利用流延技术制成压电陶瓷膜片，经叠片、热压、排胶、烧制等工艺，最后引出外电极进行极化，即可得到该织构化多层陶瓷致动器。所述的基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器适用于25℃至280℃的工作温度范围，且在200V驱动电压下的应变量最高可达3.84‰。
Description
技术领域
本发明属于压电陶瓷致动器技术领域，具体涉及一种织构化、耐高温的多层压电陶瓷致动器及其制备方法。
背景技术
多层压电陶瓷致动器由于具有位移精度高、响应速度快以及推力大等特点，已经广泛应用于激光光路调整、机床伺服刀头位移控制等精密加工领域。多层压电陶瓷致动器的核心是压电陶瓷，利用压电陶瓷的逆压电效应，在多层压电陶瓷致动器上施加电压后产生位移和一定的推力，且位移精度可达到nm级别，推力可达到数kN。目前关于压电致动器的研究最具代表性的是PZT基压电陶瓷，然而，其居里温度一般仅为300～360℃，限制了它们在航空航天、石油化工等高温领域的应用。
2001年，Eitel等人首次提出了铋系高温压电陶瓷体系，他在研究中指出，BiScO3-PbTiO3二元固溶体中，MPB位于PT含量64mol％处，材料的压电常数d33＝460pC/N，机电耦合系数kp＝0.56，与传统的PZT基压电陶瓷相当，并且具有450℃的居里温度(Eitel R E,Randall C A,Shrout T R,et al.Jpn J Appl Phys,2001,40(10):5999-6002)，因此在高温领域具有良好的应用前景。目前的研究中几乎都采用的是掺杂技术来调控材料的组分进行应变的提升，然而其性能还是会受到烧结过程中晶界、缺陷等的限制，很难有大的突破，这也限制了以钪酸铋钛酸铅压电陶瓷材料为基的致动器的位移。压电陶瓷材料的织构化的是改善其性能的另一个有效途径，通过一定的技术调控其内部微观结构，使陶瓷材料在烧结过程中晶粒沿着某些特定方向进行规则排列，从而达到近似单晶的性能。然而，钪酸铋钛酸铅陶瓷的烧结温度一般在1100℃左右，成本较低的银电极熔点为961℃，采用高温烧结会大幅度增加生产成本，不利于商业化的应用。因此我们采用添加CuO烧结助剂的方式，既简化了烧结程序，还丰富了内电极的种类，大大的优化了生产工艺，降低了生产成本。
模板晶粒生长技术是一种常见的陶瓷织构技术，它的原理是将具有各项异性的模板晶粒均匀、定向地分布在致密的基体粉体中，在高温烧结时通过模板诱导陶瓷晶粒沉积在其表面而最终获得晶粒定向生长的织构化陶瓷。该技术使用到的流延技术可与多层压电陶瓷致动器流延制作生片相结合，将基体陶瓷粉体、模板晶体和低温助烧剂共同分散到有机溶剂中，既可以保证模板晶体材料均匀的分布在基体材料中又能够得到目标流延生片，缩短制作周期的同时又可以提高压电性能。并且，相同尺寸的多层压电陶瓷致动器，使用织构化压电陶瓷材料制备的致动器具有更大的位移，也就意味着在需要的工作位移相同的条件下，使用织构化压电陶瓷材料的致动器可以具有更小的尺寸，因此对于微型马达、微型电机、微型机器人等微型集成化行业具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器及其制备方法。本发明提供的织构化高温压电陶瓷的织构度可达到90％以上，基于该织构化压电陶瓷的致动器在200V驱动电压下的室温应变量可达到3.5‰，并且适用于25℃至280℃的工作温度范围，是一种可用于高温环境、能够产生大位移的压电陶瓷器件，具有很好的应用前景。此外，低温助烧剂的加入使烧结温度降低至950℃以下，实现了陶瓷层与银电极的良好共烧，一定程度上降低了生产成本。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其特征在于，包括：一种织构化钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷；一种CuO低温助烧剂；该陶瓷与导电电极低温共烧形成内部电极。
本发明中，所述织构化高温压电陶瓷由模板晶体材料和钪酸铋钛酸铅基体材料复合构成；所述模板晶体材料为采用熔盐法制备的具有<001>晶向的PbTiO3模板晶体材料。基体陶瓷在烧结过程中在模板晶体材料上定向排列。
本发明中，所述钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为xBiScO3-(1-x)PbTiO3，通式中的x和1-x分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数，并且0.3≤x≤0.5，例如x为0.3、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39、0.40、0.42、0.42、0.43、0.44、0.45、0.46、0.47、0.48、0.49或0.50等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明中，所述助烧剂采用CuO；所述电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。
本发明中，所采用的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的8wt％至18wt％，如8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％或18wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，低温助烧剂CuO的质量为钪酸铋钛酸铅压电陶瓷材料质量的0.05wt％至0.15wt％，如0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.1wt％、0.11wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％或0.15wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，最优为0.1wt％。
本发明中，所述电极包括内电极和外电极，内电极优选为Ag电极或Ag/Pd电极，外电极为Ag电极。
第二方面，本发明还提供上述基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器的制备方法，采用流延工艺制备，流延生片的组分由PbTiO3模板晶体材料、钪酸铋钛酸铅基体材料以及CuO助烧剂共同组成，其制备工艺具体包括下述步骤：
(1)将混合物原始粉料按照化学计量比称重，湿磨混料后，置于高温下煅烧得到煅烧粉料；
(2)将煅烧粉料、模板晶体材料与低温助烧剂混合加入到分散剂和粘结剂中制成浆料，经流延技术得到生片；
(3)在生片的表面印刷上内电极记为一个压电单元，将数个这样的压电单元经叠加、热压、烧制后，印刷外电极，极化后即可得到所述织构化多层致动器。
其中，
所述煅烧的温度为750℃至800℃，如750℃、760℃、770℃、780℃、790℃或800℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其它未列举的数值同样适用，最优为780℃。
所述煅烧时间为2小时至4小时，如2小时、2.5小时、3小时、3.5小时或4小时等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，最优为3小时。
所述内电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。
所述烧制的温度为900℃至950℃，如900℃、930℃或950℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述烧制时间为4小时至8小时，如4小时、5小时、6小时、7小时或8小时等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，最优为6小时。
所述极化电压为30V至220V，如30V、40V、50V、60V、70V、80V、90V、100V、110V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V、190V、200V、210V和220V等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
上述基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器的制备方法，所述制备方法具体可以包括以下步骤：
(1)将Bi2O3，Sc2O3，PbO和TiO2按组分通式：xBiScO3-(1-x)PbTiO3摩尔配比称量，通式中的x和1-x分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数，并且0.3≤x≤0.5，球磨混料、烘干，得到混合物粉料，将步骤1中得到的混合物粉料置于750℃至800℃煅烧，煅烧时间为2小时至4小时；
(2)将PbTiO3模板晶体材料和低温助烧剂CuO加入步骤2煅烧后的粉料中，再加入分散剂和粘结剂，球磨得到混合物浆料，经流延法成型得到压电陶瓷膜片，所述模板晶体材料质量为基体质量的8wt％至18wt％，所述低温助烧剂CuO的质量为压电陶瓷材料质量的0.05wt％至0.15wt％；
(3)用丝网印刷法在压电陶瓷膜片表面印刷Ag或者Ag/Pd内电极，将得到的带有内电极的压电陶瓷膜片进行叠片、热压、排胶、等静压，在900℃至950℃固相反应烧结4小时至8小时后，引出外电极并进行极化，得到所述织构化钪酸铋钛酸铅多层压电陶瓷致动器。
其中，所述PbTiO3模板晶体材料为具有<001>晶向的PbTiO3模板晶体材料，其制备方法可以是：将PbO和TiO2粉体按照化学计量比称量，加入质量比为PbTiO3质量1.5倍的KCl或(和)NaCl，经球磨混合均匀，烘干后置于坩埚中密闭，在1080℃下保温5小时，所得产物经稀硝酸洗涤数次、烘干即得。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明制备的基于织构化钪酸铋钛酸铅压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其压电陶瓷层的织构度达到86％以上，xBiScO3-(1-x)PbTiO3晶粒大多沿<001>方向生长，使压电陶瓷在性能上接近单晶，压电位移显著增大可达3.84‰，很大程度上拓宽了致动器的适用范围。
本发明制备的基于织构化钪酸铋钛酸铅压电陶瓷的多层陶瓷致动器，在25℃至280℃的环境中也可保持良好的工作状态，可适用于航空航天、石油化工等高温领域。
本发明制备的基于织构化钪酸铋钛酸铅压电陶瓷的多层陶瓷致动器，具有更大的位移，也就意味着在需要的工作位移相同的条件下，使用织构化压电陶瓷材料的致动器可以具有更小的尺寸，因此对于微型马达、微型电机、微型机器人等微型集成化行业具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明制备的基于织构化钪酸铋钛酸铅多层压电陶瓷致动器的结构示意图；
图2为本发明中选取的各组分室温相对位移较大的样品(编号为2、14、21)在200V的驱动电压下、25℃至300℃的工作环境中产生的位移曲线；
图3为本发明制备的基于织构化钪酸铋钛酸铅多层压电陶瓷致动器烧结前后截面的光学显微镜示意图；
图中：①-压电陶瓷表面电极，②-第一层内电极，③-正(负)外电极，④-公共电极区域，⑤-负(正)外电极。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其结构如图1所示，实际层数不限制于图中层数。示意图中，①为压电陶瓷上表面电极，即排列在最上层的印刷有内电极的压电陶瓷膜片的电极，②为第一层内电极，无数层内电极交错排列构成了压电陶瓷致动器的叉指电极构造，③和⑤分别为负(正)或正(负)外电极，通过在外电极两侧引出导线进行致动器的极化，④为公共电极区域，可观察到叉指电极的构造。叉指电极的设计是制备多层致动器常用的手段，有限层数的压电单元并联在电路中，由于每层压电单元的厚度只有几十微米，因此需要的驱动电压很小，而器件的位移是所有层数压电单元位移量的叠加，因此只需要几百伏的电压就可以产生很大的位移。
本实施例所述基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，包括：一种织构化钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷；一种CuO低温助烧剂；该陶瓷与导电电极低温共烧形成内部电极。
其中，所采用的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的10wt％；所述钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.3BiScO3-0.7PbTiO3，通式中的0.3和0.7分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数；所述助烧剂采用CuO，质量为压电陶瓷材料质量的0.1wt％；所述电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。
本实施例具体制备方法如下：
(1)将Bi2O3，Sc2O3，PbO和TiO2按组分通式：0.3BiScO3-0.7PbTiO3的摩尔配比称量，通式中的0.3和0.7分别表示BiScO3和PbTiO3摩尔百分数，湿法球磨、烘干，得到混合物原始粉料；将得到的混合物原始粉料置于780℃，煅烧时间为3小时；
(2)将PbTiO3模板晶体材料和低温助烧剂CuO加入(1)煅烧后的粉料中，再加入适量的分散剂和粘结剂，湿法球磨得到混合物浆料，经流延法成型得到压电陶瓷膜片，所述模板晶体材料质量为基体质量的10wt％，所述低温助烧剂CuO的质量为压电陶瓷材料质量的0.1wt％；
(3)用丝网印刷法在压电陶瓷膜片表面制备Ag或者Ag/Pd内电极，将得到的带有内电极的压电陶瓷膜片进行叠片、热压、切割、排胶、等静压，在900℃至950℃固相反应烧结6小时后，引出外电极并进行极化，得到所述织构化钪酸铋钛酸铅多层压电陶瓷致动器。
其中，PbTiO3模板晶体材料的制备方法为：将氧化铅和二氧化钛粉体按照化学计量比称量，加入质量比为PbTiO3质量1.5倍的KCl或(和)NaCl，经球磨混合均匀，烘干后置于坩埚中密闭，在1080℃下保温5小时，所得产物经稀硝酸洗涤数次、烘干即得所需PbTiO3模板晶体材料。
将上述制备方法制备得到的样品置于20℃至300℃的环境中并施加200V的电压，记录产生的相对位移，将切割下的部分在相同的参数烧结进行织构度的检测。
表1中模板晶体材料含量为模板晶体材料占钪酸铋钛酸铅基体材料的质量百分比。
图2为选取的各组分室温相对位移较大的样品(编号分别为2、14、21)在20℃至300℃的环境中产生的相对位移。
本实施例1得到的样品编号为1、2、3，分别对应于烧结温度为900℃、930℃和950℃的样品，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，相关制备参数及检测结果列于表1。
图3为本发明制备的基于织构化钪酸铋钛酸铅多层压电陶瓷致动器烧结前后截面的光学显微镜示意图。从示意图中可以看出，烧结前每个压电单元的厚度约为70μm，烧结之后各压电单元的厚度约为55μm，且各压电单元分布平整、均匀，与银电极结合良好。
实施例2
本实施例提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其结构与图1相同，该基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，具体包括：一种织构化钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷；一种CuO低温助烧剂；该陶瓷与导电电极低温共烧形成内部电极。
其中，所采用的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的14wt％；所述钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.3BiScO3-0.7PbTiO3，通式中的0.3和0.7分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数；所述助烧剂采用CuO，质量为压电陶瓷材料质量的0.1wt％；所述电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。其具体制备过程参考实施例1，不同的是，本实施例的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的14wt％，其他参数与实施例1一致。
本实施例2得到的样品编号为4、5、6，分别对应于烧结温度为900℃、930℃和950℃的样品，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，相关制备参数及检测结果列于表1。
实施例3
本实施例提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其结构与图1相同，该基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，具体包括：一种织构化钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷；一种CuO低温助烧剂；该陶瓷与导电电极低温共烧形成内部电极。
其中，所采用的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的18wt％；所述钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.3BiScO3-0.7PbTiO3，通式中的0.3和0.7分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数；所述助烧剂采用CuO，质量为压电陶瓷材料质量的0.1wt％；所述电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。其具体制备过程参考实施例1，不同的是，本实施例的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的18wt％，其他参数与实施例1一致。
本实施例3得到的样品编号为7、8、9，分别对应于烧结温度为900℃、930℃和950℃的样品，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，相关制备参数及检测结果列于表1。
实施例4
本实施例提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其结构与图1相同，该基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，具体包括：一种织构化钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷；一种CuO低温助烧剂；该陶瓷与导电电极低温共烧形成内部电极。
其中，所采用的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的10wt％；所述钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.4BiScO3-0.6PbTiO3，通式中的0.4和0.6分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数；所述助烧剂采用CuO，质量为压电陶瓷材料质量的0.1wt％；所述电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。其具体制备过程参考实施例1，不同的是，本实施例的钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.4BiScO3-0.6PbTiO3，其他参数与实施例1一致。
本实施例4得到的样品编号为10、11、12，分别对应于烧结温度为900℃、930℃和950℃的样品，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，相关制备参数及检测结果列于表1。
实施例5
本实施例提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其结构与图1相同，该基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，具体包括：一种织构化钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷；一种CuO低温助烧剂；该陶瓷与导电电极低温共烧形成内部电极。
其中，所采用的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的14wt％；所述钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.4BiScO3-0.6PbTiO3，通式中的0.4和0.6分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数；所述助烧剂采用CuO，质量为压电陶瓷材料质量的0.1wt％；所述电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。其具体制备过程参考实施例1，不同的是，本实施例的钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.4BiScO3-0.6PbTiO3，PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的14wt％，其他参数与实施例1一致。
本实施例5得到的样品编号为13、14、15，分别对应于烧结温度为900℃、930℃和950℃的样品，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，相关制备参数及检测结果列于表1。
实施例6
本实施例提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其结构与图1相同，该基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，具体包括：一种织构化钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷；一种CuO低温助烧剂；该陶瓷与导电电极低温共烧形成内部电极。
其中，所采用的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的18wt％；所述钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.4BiScO3-0.6PbTiO3，通式中的0.4和0.6分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数；所述助烧剂采用CuO，质量为压电陶瓷材料质量的0.1wt％；所述电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。其具体制备过程参考实施例1，不同的是，本实施例的钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.4BiScO3-0.6PbTiO3，PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的18wt％，其他参数与实施例1一致。
本实施例6得到的样品编号为16、17、18，分别对应于烧结温度为900℃、930℃和950℃的样品，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，相关制备参数及检测结果列于表1。
实施例7
本实施例提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其结构与图1相同，该基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，具体包括：一种织构化钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷；一种CuO低温助烧剂；该陶瓷与导电电极低温共烧形成内部电极。
其中，所采用的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的10wt％；所述钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.5BiScO3-0.5PbTiO3，通式中的0.5和0.5分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数；所述助烧剂采用CuO，质量为压电陶瓷材料质量的0.1wt％；所述电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。其具体制备过程参考实施例1，不同的是，本实施例的钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.5BiScO3-0.5PbTiO3，PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的10wt％，其他参数与实施例1一致。
本实施例7得到的样品编号为19、20、21，分别对应于烧结温度为900℃、930℃和950℃的样品，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，相关制备参数及检测结果列于表1。
实施例8
本实施例提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其结构与图1相同，该基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，具体包括：一种织构化钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷；一种CuO低温助烧剂；该陶瓷与导电电极低温共烧形成内部电极。
其中，所采用的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的14wt％；所述钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.5BiScO3-0.5PbTiO3，通式中的0.5和0.5分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数；所述助烧剂采用CuO，质量为压电陶瓷材料质量的0.1wt％；所述电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。其具体制备过程参考实施例1，不同的是，本实施例的钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.5BiScO3-0.5PbTiO3，PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的14wt％，其他参数与实施例1一致。
本实施例8得到的样品编号为22、23、24，分别对应于烧结温度为900℃、930℃和950℃的样品，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，相关制备参数及检测结果列于表1。
实施例9
本实施例提供一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其结构与图1相同，该基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，具体包括：一种织构化钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷；一种CuO低温助烧剂；该陶瓷与导电电极低温共烧形成内部电极。
其中，所采用的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的18wt％；所述钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.5BiScO3-0.5PbTiO3，通式中的0.5和0.5分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数；所述助烧剂采用CuO，质量为压电陶瓷材料质量的0.1wt％；所述电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。其具体制备过程参考实施例1。不同的是，本实施例的钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为0.5BiScO3-0.5PbTiO3，PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的18wt％，其他参数与实施例1一致。
本实施例9得到的样品编号为25、26、27，分别对应于烧结温度为900℃、930℃和950℃的样品，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，相关制备参数及检测结果列于表1。
表1
根据表1可知，本发明成功的制备了基于织构化钪酸铋钛酸铅压电陶瓷的多层压电陶瓷致动器，其织构度可以达到86％以上，证明该致动器的基底材料即钪酸铋钛酸铅织构化陶瓷晶粒具有较高的取向度，达到了织构化的目的。由表1中的密度测试结果可知，烧结温度在900℃至950℃制备的基于织构化钪酸铋钛酸铅压电陶瓷的多层压电陶瓷致动器具有很高的致密度，证实了CuO作为助烧剂降低其烧结温度的可行性。
此外，本发明制备的基于织构化钪酸铋钛酸铅压电陶瓷的多层压电陶瓷致动器具有较大的应变，当组分为0.4BiScO3-0.6PbTiO3，使用质量分数为14wt％的PbTiO3模板晶粒材料，助烧剂添加量为0.1wt％，且烧结温为930℃时，制备出的致动器织构度达到93％，且在室温下的位移量达到最大值3.50‰。从组分xBiScO3-(1-x)PbTiO3，x＝0.3、0.4、0.5中选取室温位移量较大的样品，在25℃至300℃测试其位移量变化。结合图2可知，样品的位移量随温度的升高而增大，在280℃左右位移量达到最大值3.84‰，温度继续增大，当温度升高到290℃和300℃时，位移量出现下降，在300℃时的位移量明显低于室温。证明本专利制备的基于织构化钪酸铋钛酸铅压电陶瓷的多层压电陶瓷致动器在室温至280℃左右依旧能够保持良好的工作状态，可适用于航空航天、石油化工等高温领域。并且，使用织构化压电陶瓷材料的致动器具有更大的位移，也就意味着在需要的工作位移相同的条件下，使用织构化压电陶瓷材料的致动器可以具有更小的尺寸，因此对于微型马达、微型电机、微型机器人等微型集成化行业具有重要的意义。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (5)
1.一种基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其特征在于，包括：一种织构化钪酸铋钛酸铅高温压电陶瓷；一种CuO低温助烧剂；该陶瓷与导电电极在低于或等于950℃共烧形成内部电极。
2.根据权利要求1所述的基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其特征在于，所述织构化高温压电陶瓷由模板晶体材料和钪酸铋钛酸铅基体材料复合构成；所述模板晶体材料为采用熔盐法制备的具有<001>晶向的PbTiO3模板晶体材料；所述钪酸铋钛酸铅陶瓷材料的组分通式为xBiScO3-(1-x)PbTiO3，通式中的x和1-x分别表示BiScO3和PbTiO3组分的摩尔百分数，并且0.3≤x≤0.5；所述助烧剂采用CuO；所述电极为Ag或者Ag/Pd电极材料。
3.根据权利要求1或2所述的基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器，其特征在于，所采用的PbTiO3模板晶体材料质量为钪酸铋钛酸铅基体材料的8wt％至18wt％；低温助烧剂CuO的质量为钪酸铋钛酸铅压电陶瓷材料质量的0.05wt％至0.15wt％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器的制备方法，其特征在于，采用流延工艺制备，流延生片的组分由PbTiO3模板晶体材料、钪酸铋钛酸铅基体材料以及CuO助烧剂共同组成，其制备工艺具体包括下述步骤：
(1)将混合物原始粉料按照化学计量比称重，湿磨混料后，置于高温下煅烧得到煅烧粉料；
(2)将煅烧粉料、模板晶体材料与低温助烧剂混合加入到分散剂和粘结剂中制成浆料，经流延技术得到生片；
(3)在生片的表面印刷上内电极记为一个压电单元，将至少两个所述压电单元经叠加、热压、烧制后，印刷外电极，极化后即可得到所述织构化多层致动器。
5.根据权利要求4所述的基于织构化高温压电陶瓷的多层陶瓷致动器的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为750℃至800℃；
所述煅烧时间为2小时至4小时；
所述内电极为Ag或者Ag/Pd电极材料；
所述烧制的温度为900℃至950℃；
所述烧制时间为4小时至8小时；
所述极化电压为30V至220V。
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