CN115968247A - 一种无铅织构压电驱动器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及压电陶瓷器件技术领域，提供了一种无铅织构压电驱动器。本申请提供的无铅织构压电驱动器包括无铅织构压电驱动器瓷体以及设于无铅织构压电驱动器瓷体两侧面的外电极，无铅织构压电驱动器瓷体包括N层无铅织构化陶瓷膜材，N≥2，N为整数，至少2层无铅织构化陶瓷膜材的表面印刷有内电极，且印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材按照正负电极交错方式循环堆叠，其中，无铅织构化陶瓷膜材包括铌酸钠钾系母材和片状模板。本申请无铅织构压电驱动器具有高应变、低迟滞的性能，可以提高无铅织构压电驱动器的压电常数和位移应变，降低位移迟滞，并在提高压电性能的同时对居里温度几乎无影响。

Description

一种无铅织构压电驱动器及其制备方法

技术领域

本申请属于压电陶瓷器件技术领域，尤其涉及一种无铅织构压电驱动器及其制备方法。

背景技术

随着社会的高速发展，电子电器设备产量成倍增长，废弃物的总量也在快速增长，然而废弃物处理体系薄弱，导致电子垃圾中含有的大量对环境和生物体有毒有害的物质释放到自然环境中。为妥善的回收以及处理废弃电子电器产品，以达到保护人类健康以及自然环境的目的，欧盟颁布了“关于电器和电子设备中某些有害物质的限定”的法令，其中明确规定限制含铅材料的使用。

目前，诸多压电器件因暂无锆钛酸铅(Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃，PZT)取代物而暂时得到豁免，压电驱动器便是其中之一，但豁免随时可能被取消，压电驱动器所用压电材料的无铅化已迫在眉睫。铌酸钠钾((K_0.5Na_0.5)NbO₃，KNN)是当前最有潜力应用于压电驱动器的无铅压电材料体系之一。当前传统固相合成法制备的KNN无铅压电陶瓷已能达到与广泛使用的商业化软性锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷可比的压电性能，但KNN在提升压电性能的同时，居里温度会下降，导致所制作的压电器件具有较低的工作温度，难以满足商业化需求。因此，亟需寻找一种无铅压电陶瓷不以牺牲居里温度来实现提高压电性能，使压电驱动器在获得优异位移性能的同时维持较高的工作温度，成为研究的热点。

发明内容

本申请的目的在于提供一种无铅织构压电驱动器及其制备方法，旨在解决KNN无铅压电陶瓷在提升压电性能的同时会导致居里温度下降的问题。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种无铅织构压电驱动器。本申请无铅织构压电驱动器包括无铅织构压电驱动器瓷体以及设于无铅织构压电驱动器瓷体两侧的外电极，无铅织构压电驱动器瓷体包括N层无铅织构化陶瓷膜材，N≥2，N为整数，至少2层无铅织构化陶瓷膜材的表面印刷有内电极，且印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材按照正负电极交错方式循环堆叠；其中，无铅织构化陶瓷膜材包括铌酸钠钾系母材和片状模板。

第二方面，本申请提供一种无铅织构压电驱动器的制备方法。本申请无铅织构压电驱动器的制备方法，包括以下步骤：

S01、制备无铅织构化陶瓷膜材，并将无铅织构化陶瓷膜材切成预设尺寸的方片结构，得空白无铅织构化陶瓷膜材；

S02、在空白无铅织构化陶瓷膜材的一表面刷上内电极，得到印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材；

S03、按照无铅织构压电驱动器的设计要求，将若干层空白无铅织构化陶瓷膜材与印刷有内电极的电极无铅织构化陶瓷膜材按照正负极交错的方式循环叠压，得包括层叠设置的N层无铅织构化陶瓷膜材的无铅压电驱动器巴块；

S04、将无铅压电驱动器巴块经等静压和切割处理，得无铅压电驱动器生坯；

S05、将无铅压电驱动器生坯依次进行排胶和第一烧结，得无铅织构压电驱动器瓷体；

S06、在无铅织构压电驱动器瓷体的两侧面依次进行端电极涂覆、第二烧结、极化，得无铅织构压电驱动器。

本申请第一方面提供的无铅织构压电驱动器，通过将片状模板与铌酸钠钾系母材制备成具有各向异性的无铅织构化陶瓷膜材，再将无铅织构化陶瓷膜材经循环叠压形成叠层压电驱动器，赋予无铅织构压电驱动器高应变、低迟滞的性能，进而可以提高无铅织构压电驱动器的压电常数和位移应变，降低位移迟滞，并在提高压电性能的同时对居里温度几乎无影响，且采用无铅材料，在制备、应用和废弃的过程中不会污染环境，是一种环境友好型的高性能压电材料。

本申请第二方面提供的无铅织构压电驱动器的制备方法，能够有效制备具有高应变、低迟滞的无铅织构压电驱动器，赋予无铅织构压电驱动器在提高压电性能的同时不降低居里温度的优异性能，满足商业化各种应用场景的需求，将无铅织构化陶瓷膜材经过若干次循环叠层后，再经过第一烧结，使得压电驱动器内部存在的若干异质共烧界面致密化，从而使得无铅织构化陶瓷膜材中的织构陶瓷颗粒沿驱动器长宽方向展开，沿驱动器厚度方向进行取向生长，通过端电极连接后使所有内电极沿厚度方向并联，在极化过程中，上下两层紧连的内电极分别施加正负电压，最终使所有的压电陶瓷介质层沿厚度方向极化，极化方向与织构陶瓷颗粒的取向生长方向一致，可以使织构压电陶瓷得到充分极化，可以使无铅织构化陶瓷膜材的压电性能得到充分利用，最终使无铅织构压电驱动器获得较好的位移性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种无铅织构压电驱动器瓷体剖面示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种无铅织构压电驱动器瓷体剖面示意图；

图3是本申请实施例1提供的KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器的外观图；

图4是本申请实施例1提供的KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器的表面微观形貌；

图5是本申请实施例1提供的KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器的截面微观形貌；

图6是本申请实施例1与对比例1提供的压电驱动器瓷体的XRD图谱；

图7是本申请对比例1提供的KNNS-CZ-KBH非织构压电驱动器的介电温谱；

图8是本申请实施例1提供的KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器的介电温谱；

图9是本发明实施例1以及对比例1制备的压电驱动器的位移迟滞曲线；

其中，图1和图2中各附图标记：10—无铅织构化陶瓷膜材；20—正内电极；30—负内电极。

具体实施方式

为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。

应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地，本申请实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。

术语“第一“、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

术语“NN”是铌酸钠(NaNbO₃)的简称；术语“KNN”是铌酸钠钾((K_0.5Na_0.5)NbO₃的简称，术语“KNNS-CZ-KBH”是0.96(Na_0.5K_0.5)(Nb_0.965Sb_0.035)O₃-0.01CaZrO₃-0.03(K_0.5Bi_0.5HfO₃)的简称。

本申请实施例第一方面提供一种无铅织构压电驱动器。本申请无铅织构压电驱动器包括无铅织构压电驱动器瓷体以及设于无铅织构压电驱动器瓷体两侧的外电极，无铅织构压电驱动器瓷体包括N层无铅织构化陶瓷膜材，N≥2，N为整数，至少2层无铅织构化陶瓷膜材的表面印刷有内电极，且印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材按照正负电极交错方式循环堆叠；其中，无铅织构化陶瓷膜材包括铌酸钠钾系母材和片状模板。

本申请第一方面提供的无铅织构压电驱动器，通过将片状模板与铌酸钠钾系母材制备成具有各向异性的无铅织构化陶瓷膜材，再将无铅织构化陶瓷膜材经循环叠压形成叠层压电驱动器，赋予无铅织构压电驱动器高应变、低迟滞的性能，进而可以提高无铅织构压电驱动器的压电常数和位移应变，降低位移迟滞，在提高压电性能的同时对居里温度几乎无影响，满足商业化各种应用场景的需求，且采用无铅材料，在制备、应用和废弃的过程中不会污染环境，是一种环境友好型的高性能压电材料。

在一些实施例中，相邻印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材之间还设置有表面无内电极的无铅织构化陶瓷膜材。

若无铅织构化陶瓷膜材太薄，易造成击穿，若无铅织构化陶瓷膜材太厚，所需施加电压过大，进而提高操作难度。因此，在兼顾上述性能的前提下，无铅织构化陶瓷膜材的层数可视设计的无铅织构化陶瓷膜材的厚度以及无铅织构压电驱动器瓷体的设计要求，灵活的选择适当的层数。在具体实施例中，相邻印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材之间的可以独立的选择表面无内电极的无铅织构化陶瓷膜材的层数，即层数可相同也可不同。

在一些实施例中，无铅织构压电驱动器瓷体的底层为印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材或表面无内电极的无铅织构化陶瓷膜材。根据无铅织构压电驱动器瓷体设计，底层可以灵活的选择是印刷有正内电极的无铅织构化陶瓷膜材、或印刷有负内电极的无铅织构化陶瓷膜材、或表面无内电极的无铅织构化陶瓷膜材。

在一些实施例中，无铅织构压电驱动器瓷体的面层为印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材或表面无内电极的所述无铅织构化陶瓷膜材。

示例性的，无铅织构压电驱动器瓷体的剖面示意图如图1～2所示。

图1中，无铅织构压电驱动器瓷体包括6层无铅织构化陶瓷膜材10，从下到上数，第1、3、5层的无铅织构化陶瓷膜材10的表面印刷有负内电极30，第2、4、6层的无铅织构化陶瓷膜材10表面印刷有正内电极20。

图2中，无铅织构压电驱动器瓷体包括7层无铅织构化陶瓷膜材10，从下到上数，第1、5层的无铅织构化陶瓷膜材10的表面印刷有负内电极30，第3、7层无铅织构化陶瓷膜材10的表面印刷有正内电极20，且相邻印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材10之间设置有1层表面无内电极的无铅织构化陶瓷膜材10。

附图1～2均为无铅织构压电驱动器瓷体的结构示意图，无铅织构化陶瓷膜材的层数可以根据无铅织构化陶瓷膜材的厚度以及无铅织构压电驱动器瓷体的设计要求灵活选择，不仅仅为图1～2中的层数。相邻印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材之间设置的表面无内电极的无铅织构化陶瓷膜材的层数可以为≥0的自然数，不仅仅为图2中设置的层数。

在一些实施例中，印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材表面印刷的是正内电极图案或负内电极图案，且相邻正内电极图案与负内电极图案之间有200μm-600μm的错位。

因正内电极图案和负内电极图案类似，并存在200μm-600μm的错位，以使得相邻两种电极在叠膜后形成叉指式内电极，由于无铅织构压电驱动器的叉指式内电极是沿驱动器的长宽方向铺设，通过端电极银层连接后使所有内电极沿厚度方向并联，在极化过程中，上下两层紧连的内电极分别施加正负电压，最终使所有的压电陶瓷介质层沿厚度方向极化，极化方向与织构陶瓷颗粒的取向生长方向一致，可以使无铅织构压电陶瓷得到充分极化。

在一些实施例中，无铅织构化陶瓷膜材沿<001>方向定向排列。无铅织构化陶瓷膜材因其具有沿<001>方向定向排列的特点，因此，在以此为基础经叠压制成无铅织构压电驱动器的电畴也会尽量朝<001>方向取向排列，从而降低压电驱动器的迟滞，赋予无铅织构压电驱动器高应变、低迟滞的性能。

在一些实施例中，片状模板为铌酸钠NN。无铅织构化陶瓷膜材制备的关键是制备与铌酸钠钾系母材基体结构匹配且具有合适尺寸的各向异性模板，本申请实施例以NN为片状模板，铌酸钠钾系母材经过模板晶粒生长，得到具有各向异性的无铅织构化陶瓷膜材。

在一些实施例中，织构压电驱动器瓷体的厚度为60μm-90μm。可根据无铅织构压电驱动器设计，灵活的选择织构压电驱动器瓷体的厚度，以赋予无铅织构压电驱动器高应变、低迟滞的性能。具体的，厚度可以为60μm、70μm、80μm、90μm等典型但非限制性的值。

在一些实施例中，表面无内电极的无铅织构化陶瓷膜材的厚度为20μm-30μm。无铅织构化陶瓷膜材作为介质层，若是太薄易造成击穿，若介质层太厚，所需施加电压过大，因此，表面无内电极无铅织构化陶瓷膜材的厚度需兼顾上述性能的前提下，赋予无铅织构压电驱动器瓷体高效的压电性能。具体的，厚度可以为20μm、25μm、28μm、30μm等典型但非限制性的值。

在一些实施例中，印刷有内电极的电极无铅织构化陶瓷膜材的厚度为30μm-40μm。具体可根据印刷内电极厚度的要求，灵活的选择无铅织构化陶瓷膜材印刷内电极后的厚度。具体的，厚度可以为30μm、32μm、35μm、40μm等典型但非限制性的值。

本申请第二方面提供一种无铅织构压电驱动器的制备方法。本申请无铅织构压电驱动器的制备方法，包括以下步骤：

S01、制备无铅织构化陶瓷膜材，并将无铅织构化陶瓷膜材切成预设尺寸的方片结构，得空白无铅织构化陶瓷膜材；

S02、在空白无铅织构化陶瓷膜材的一表面刷上内电极，得到印刷有内电极的电极无铅织构化陶瓷膜材；

S03、按照无铅织构压电驱动器的设计要求，将若干层空白无铅织构化陶瓷膜材与印刷有内电极的电极无铅织构化陶瓷膜材按照正负极交错的方式循环叠压，得包括层叠设置的N层无铅织构化陶瓷膜材的无铅压电驱动器巴块；

S04、将无铅压电驱动器巴块经等静压和切割处理，得无铅压电驱动器生坯；

S05、将无铅压电驱动器生坯依次进行排胶和第一烧结，得无铅织构压电驱动器瓷体；

S06、在无铅织构压电驱动器瓷体的两侧面依次进行端电极涂覆、第二烧结、极化，得无铅织构压电驱动器。

本申请第二方面提供的无铅织构压电驱动器的制备方法，能够有效制备具有高应变、低迟滞的无铅织构压电驱动器，赋予无铅织构压电驱动器在提高压电性能的同时不降低居里温度的优异性能，满足商业化各种应用场景的需求，将无铅织构化陶瓷膜材经过若干次循环叠层后，再经过第一烧结，使得压电驱动器内部存在的较多异质共烧界面致密化，并使得无铅织构化陶瓷膜材中的织构陶瓷颗粒沿驱动器长宽方向展开，沿驱动器厚度方向进行取向生长，通过端电极连接后使所有内电极沿厚度方向并联，在极化过程中，上下两层紧连的内电极分别施加正负电压，最终使所有的压电陶瓷介质层沿厚度方向极化，极化方向与织构陶瓷颗粒的取向生长方向一致，可以使织构压电陶瓷得到充分极化，可以使无铅织构化陶瓷膜材的压电性能得到充分利用，最终使无铅织构压电驱动器获得较好的位移性能。

步骤S02中，在空白无铅织构化陶瓷膜材上可采用丝网印刷或磁控溅射等方法制作内电极图案，且内电极可以为AgPd合金、AgPt合金、Au、Ag、Cu、Ni中的至少一种。

具体实施例中，在空白无铅织构化陶瓷膜材表面印刷的是正内电极图案或负内电极图案之间有200μm-600μm的错位。因正内电极图案和负内电极图案类似，并存在200μm-600μm的错位，以使相邻两种电极在叠膜后形成叉指式内电极，进而使得无铅织构压电陶瓷得到充分极化，赋予无铅织构压电驱动器在提高压电性能的同时不降低居里温度的优异性能，满足商业化各种应用场景的需求。

步骤S03中，无铅织构压电驱动器根据应用场景的压电要求，可以仅仅包括2层分别印刷有正内电极的无铅织构化陶瓷膜材和印刷有负内电极的无铅织构化陶瓷膜材，也可以N层无铅织构化陶瓷膜材叠压而成，N>2，N为整数。

在一些实施例中，所述叠压的条件为：压力为10t-50t，保压时间为5s-60s。具体的，压力可以为10t、20t、30t、40t、50t等典型但非限制性的值。保压的时间应该是充分的，如可以控制在10t-50t压力下保压5s-60s。通过叠压条件的控制和优化，使得印刷的内电极层与无铅织构化陶瓷膜材层以及相邻无铅织构化陶瓷膜材层之间结合的更加紧密，减小内部缺陷，有利控制得到致密的多异质界面，并得到织构度更高的无铅织构压电驱动器瓷体。

在一些实施例中，方片结构的边长为100mm-500mm。具体的方片结构的边长可为100mm、180mm、250mm、300mm、400mm、500mm等典型但非限制性的值。具体的方片结构的尺寸可根据无铅织构压电驱动器设计，灵活的选择方片结构的尺寸。

在一些实施例中，等静压的条件为：压力为10MPa-60MPa，时间为5min-40min。具体的，压力可以为10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa等典型但非限制性的值。通过等静压中压力和时间的控制和优化，能够使得无铅压电驱动器生坯中的多异质界面更加致密，避免烧结过程中内电极与无铅织构化陶瓷膜材之间发生脱落，进而提高无铅压电驱动器的压电性能。

在一些实施例中，排胶的条件为：于150℃-200℃温度下第一排胶10h-20h，然后于300℃-400℃条件下第二排胶10h-40h，再于500℃-600℃条件下第三排胶10-30h。具体的，第一排胶的温度可以为150℃、170℃、190℃、200℃等典型但非限制性的值，时间可以10h、15h、20h等典型但非限制性的值；第二排胶的温度可以为300℃、320℃、350℃、380℃、400℃等典型但非限制性的值，时间可以10h、20h、30h、40h等典型但非限制性的值；第三排胶的温度可以为500℃、520℃、550℃、580℃、600℃等典型但非限制性的值，时间可以10h、15h、20h、30h等典型但非限制性的值。将经过等静压的无铅压电驱动器生坯经过梯度排胶，能够充分去除生坯中含有的有机物，避免后续烧结过程中出现内部缺陷，进而保证在提高无铅压电驱动器的压电性能同时不降低居里温度。

在一些实施例中，第一烧结的条件为：温度为900℃-1250℃，时间2h-20h。具体的，第一烧结的温度可以为900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1250℃等典型但非限制性的值，该烧结的温度能够将无铅压电驱动器生坯进行充分烧结，使得铌酸钠钾系母材颗粒尽可能围绕片状模板生长完全，得到织构化程度高的无铅织构压电驱动器瓷体。第一烧结的处理的时间应该是充分的，通过对烧结温度、时间的控制和优化，在保证充分烧结处理的前提下，有利控制得到织构化程度高的无铅织构压电驱动器瓷体，以提高无铅织构压电驱动器的高应变、低迟滞的性能。

在一些实施例中，第二烧结的温度为500℃-900℃。具体的，第二烧结的温度为500℃、600℃、700℃、800℃、900℃等典型但非限制性的值。该烧结温度能够保证在无铅织构压电驱动器瓷体外侧成功设置外电极，赋予无铅织构压电驱动器良好的压电性能。

在一些实施例中，极化的条件为：于2-4kV/mm电场下极化5min-60min。该极化的方向与无铅织构压电驱动器使用的过程中电压施加方向与极化方向保持完全一致，可以使铌酸钠钾系无铅织构化陶瓷膜材的压电性能得到充分利用，最终使无铅织构压电驱动器获得较好的位移性能。

在一些实施例中，压电驱动器巴块的厚度为1mm-3mm。具体的，厚度可以为1mm、2mm、3mm等典型但非限制性的值。可根据无铅织构压电驱动器瓷体的设计，灵活的选择压电驱动器巴块的厚度。

在一些实施例中，无铅织构化陶瓷膜材的制备过程如下：

S011、制备铌酸钠钾系母材颗粒及片状模板颗粒；

S012、将铌酸钠钾系母材颗粒和片状模板颗粒与分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂混合，球磨处理，形成流延浆料；

S013、将流延浆料在刮刀间隙为20μm-30μm的条件下进行流延，得无铅织构化陶瓷膜材。

通过在铌酸钠钾系母材颗粒中添加片状模板颗粒，使得形成流延浆料经流延后得到铌酸钠钾系母材颗粒沿着特性的方向生长，得到具有各向异性的无铅织构化陶瓷膜材。

在一些实施例中，片状模板颗粒为NaNbO₃。无铅织构化陶瓷膜材制备的关键是制备与铌酸钠钾系母材基体结构匹配且具有合适尺寸的各向异性模板，本申请以NN为片状模板，铌酸钠钾系母材经过模板晶粒生长，得到具有各向异性的无铅织构化陶瓷膜材。

在一些实施例中，片状模板颗粒与铌酸钠钾系母材颗粒的摩尔比为0.1-30:100。该片状模板的添加量应当是充足的，足够铌酸钠钾系母材颗粒沿着该片状模板实现取向生长，得到织构化程度高的无铅织构化陶瓷膜材。具体的，片状模板与铌酸钠钾系母材颗粒的摩尔比可以为0.1:100、1:100、5:100、10:100、15:100、20:100、30:100等典型但非限制性的值。

在一些实施例中，所述铌酸钠钾系母材颗粒可以为本领域常用的铌酸钠钾材料，优选为分子式为0.96(Na_0.5K_0.5)(Nb_0.965Sb_0.035)O₃-0.01CaZrO₃-0.03(K_0.5Bi_0.5HfO₃)的铌酸钠钾系颗粒。

在一些实施例中，分散剂的添加量为铌酸钠钾系母材颗粒总质量的0.5％-3％，具体的，分散剂的添加量可以为0.5％、1.0％、2.0％、3.0％等典型但非限制性的值。

在一些实施例中，粘结剂的添加量为铌酸钠钾系母材颗粒总质量的3％-20％，具体的，粘结剂的添加量可以为3％、8％、12％、15％、20％等典型但非限制性的值。

在一些实施例中，增塑剂的添加量为铌酸钠钾系母材颗粒总质量的1％-15％，具体的，增塑剂的添加量可以为1％、5％、10％、15％等典型但非限制性的值

在一些实施例中，溶剂的添加量为铌酸钠钾系母材颗粒总质量的50％-200％，具体的，粘结剂的添加量可以为50％、80％、120％、150％、200％等典型但非限制性的值。

因铌酸钠钾系母材颗粒在浆料中容易形成团聚，因此，本申请实施例中添加分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂，可以使得铌酸钠钾系母材颗粒均匀分散在浆料中，得到均一浆料，赋予流延浆料一定的流动性和粘性，在刮刀的作用下能自然的铺展平整，保证无铅织构化陶瓷膜材不会发生开裂或变形。

以下通过多个具体实施例来举例说明本申请实施例无铅织构压电驱动器及其制备方法。

实施例1

本申请实施例提供一种无铅织构压电驱动器及其制备方法。

一种无铅织构压电驱动器，包括无铅织构压电驱动器瓷体以及设于无铅织构压电驱动器瓷体两侧面的外电极，无铅织构压电驱动器瓷体包括83层无铅织构化陶瓷膜材，83层从下往上：第4、12、20、28、36、44、52、60、68、76层均为表面印刷有正内电极的无铅织构化陶瓷膜材，第8、16、24、32、40、48、56、64、72、80层均为表面印刷有负内电极的无铅织构化陶瓷膜材，第1-3、5-7、9-11、13-15、17-19、21-23、25-27、29-31、33-35、37-39、41-43、45-47、49-51、53-55、57-59、61-63、65-67、69-71、73-75、77-79、81-83层均为表面无内电极的无铅织构化陶瓷膜材，其中无铅织构化陶瓷膜材包括铌酸钠钾系母材KNNS-CZ-KBH和片状模板NN。

上述无铅织构压电驱动器的制备方法步骤如下：

S01、制备厚度为25μm无铅织构化陶瓷膜材，并将无铅织构化陶瓷膜材切成预设尺寸180mm×180mm的方片结构，得空白无铅织构化陶瓷膜材(B)。

无铅织构化陶瓷膜材的制备过程如下：

S011、制备铌酸钠钾系母材颗粒及铌酸钠片状模板；

铌酸钠钾系母材颗粒的制备过程如下：

将Na₂CO₃、K₂CO₃、Nb₂O₅、Sb₂O₃、CaZrO3、Bi₂O₃、HfO₂按照分子式为0.96(Na_0.5K_0.5)(Nb_0.965Sb_0.035)O₃-0.01CaZrO₃-0.03(K_0.5Bi_0.5HfO₃)的配比分别称取各组分，并加入到球磨罐中，以氧化钙为介质，以无水乙醇为溶剂，用行星式球磨机于350rpm转速下球磨15h；再将球磨后的浆料烘干，再于900℃保温3h进行预烧制得KNN母体颗粒。

铌酸钠片状模板的制备过程如下：

将Na₂CO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃按7:10:5的化学计量比称取各组分，混合得第一混合料，再加入与该混合料等质量的NaCl作为熔盐介质，用无水乙醇作为研磨介质，研磨15h，出料烘干过筛网，然后于1100℃条件下烧结4h；

在烧结后的块体加入去离子水，于80℃的水浴锅中进行反复清洗，直至全部溶解得到片状结构的BNN5前驱体；

将BNN5前驱体与Na₂CO₃按4:6的摩尔比分别称量，混合，得第二混合料，再加入第二混合料质量的3倍量的NaCl作为熔盐，球磨混合15h，烘干过筛后于1000℃烧结4h，加入盐酸反复清洗，直至NN模板全部溶解，且由黄色全部变成乳白色，烘干后过筛得到NN模板粉末。

S012、将KNN母体颗粒与分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂混合，球磨15h后再加入NN模板粉末，继续球磨10min，形成流延浆料；其中分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂分别为KNN母体颗粒总质量的2wt％、15wt％、9wt％和74wt％；NN模板粉末与KNN母体颗粒的摩尔比为3:100；

S013、调节流延机刮刀间隙为20μm-30μm，将流延浆料倒入流延机储料盒，使流延浆料在滚动的PET膜上形成25μm无铅织构化陶瓷膜材。

S02、使用Ag70Pd30电子浆料在不同的空白无铅织构化陶瓷膜材上分别丝网印刷两种有一定错位的内电极图案，分别得到附着有正、负内电极的电极无铅织构化陶瓷膜材，内电极印刷厚度约为10μm，印刷有正内电极或负内电极的电极无铅织构化陶瓷膜材分别记为N1和N2。

S03、将3层空白无铅织构化陶瓷膜材(B)使用叠压机叠压，在形成的空白无铅织构化陶瓷膜材表面上按照从下到上N1、3B、N2、3B的顺序循环10次叠压制成KNNS-CZ-KBH无铅压电驱动器巴块，其中，叠压的压力为40t，保压时间为20s。

S04、将无铅压电驱动器巴在40MPa的条件下等静压20min进一步压实，然后沿，沿预设切割线进行切割，得单个无铅压电驱动器生坯。

S05、将无铅压电驱动器生坯进行排胶，排胶的工艺条件为：于20℃升温至180℃，排胶15h，再升温至350℃，排胶15h，再升温至550℃，排胶18h；然后将排胶后侧无铅压电驱动器生坯于1100℃条件下烧结10h，得到制成<001>取向的KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器瓷体，其层厚度约为75μm。

S06、在KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器瓷体的侧面涂覆Ag端电极，于700℃烧；然后再于2kV/mm电场下极化30min，得KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器。

对比例1

本对比例提供一种KNN传统驱动器，即KNNS-CZ-KBH非织构压电驱动器，与实施例1的区别在于：将无铅织构化陶瓷膜材替换为无铅非织构化陶瓷膜材，其余原料与制备过程均与实施例1一致。

无铅非织构化陶瓷膜材与无铅织构化陶瓷膜材的区别在于：无铅非织构化陶瓷膜材原料中不添加NN模板粉末，其余组分、制备过程均与无铅织构化陶瓷膜材的一致。

性能测试

(1)实施例1制备的KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器的外观、表面微观形貌以及截面微观形貌分别如图3～5所示。

KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器的SEM微观形貌如图4所示，从图中可看出，KNNS-CZ-KBH织构压电陶瓷表面主要由诸多10μm-30μm的平板状陶瓷颗粒堆积而成，沿陶瓷厚度方向呈明显的取向性，提示织构结构的生成。KNNS-CZ-KBH织构叠层压电驱动器的SEM截面微观形貌如图5所示，从图5中可以看出，介质层处的KNNS-CZ-KBH陶瓷呈整块状，且在内部能观察到长度约10-30μm、宽度小于2μm的横条状平直缝隙，与NN模板的尺寸相符，这应该是NN模板在烧结过程中逐渐熔化扩散所形成。

(2)实施例1与对比例1制备的压电驱动器瓷体的XRD图谱如图6所示，从图6中可以看出，与非织构压电驱动器瓷体的衍射峰相比，KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器瓷体的<001/100>和<002/200>衍射峰得到明显增强，除<001/100>和<002/200>衍射峰之外的其它衍射峰都基本消失或已经非常弱，呈现明显的<001>方向取向性。

根据Lotgering因子法计算出KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器瓷体的Lotgering因子F为84.7％，表明其形成了较好的织构结构。

Lotgering因子F的计算方法如下：

式中：

F—Lotgering因子；

I—代表织构陶瓷样品在相应衍射峰的强度；

P—织构陶瓷样品中所有001方向衍射峰强度之和占所有衍射峰强度之和的比例；

I₀—代表非织构陶瓷样品在相应衍射峰的强度；

P₀—非织构陶瓷样品中所有001方向衍射峰强度之和占所有衍射峰强

度之和的比例；

h、k、l—衍射指数。

(3)本申请采用三琦电子科技有限公司的1200HTDE-LTC型号高温介电测量系统分别对对比例1制备的KNNS-CZ-KBH非织构压电驱动器和实施例1制备的KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器分别进行了介电温谱测试，结果分别如图7-8所示。

从图7中可以看出，KNNS-CZ-KBH非织构压电驱动器在100Hz下的居里温度转变点(四方相到立方相转变点)为270℃左右，在1kHz和10kHz两个较高频率下的居里温度转变点稍有下降，在250℃左右。从图8中可以看出，KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器在100Hz、1kHz和10kHz等三个频率下的居里温度转变点较为一致，均为263℃左右，与图7中KNNS-CZ-KBH非织构压电驱动器的居里温度相比基本维持了不变，由此说明织构化对KNNS-CZ-KBH压电陶瓷的居里温度影响很小。

(4)将实施例1以及对比例1制备的压电驱动器进行了位移性能的测试，结果如图9所示。从图9中可以看出，同样在2kV/mm的电场强度左右，与KNNS-CZ-KBH非织构压电驱动器相比，KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器的位移应变有了明显提升，由不到0.6‰提升至了1‰，位移应变提升了约1.7倍。由位移应变估算KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器及KNNS-CZ-KBH非织构压电驱动器在大电场信号下的逆压电常数d33^＊分别约为300pm/V和500pm/V。。除此之外，KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器相比KNNS-CZ-KBH非织构压电驱动器的位移迟滞有了明显下降，由22％降低至了10％左右，这可能源于KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器瓷体介质层中晶粒的取向生长，导致电畴也会沿<001>方向取向排列，减少了非180°畴的翻转和畴壁运动，从而降低了位移迟滞，这验证了通过织构化手段降低位移迟滞的可能性和有效性，有可能应用于其它压电陶瓷体系及压电器件。KNNS-CZ-KBH织构压电驱动器的位移应变已达到商业化PZT基叠层压电驱动器的同等水平，实现了高应变，满足了商业化应用。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无铅织构压电驱动器，其特征在于，包括无铅织构压电驱动器瓷体以及设于所述无铅织构压电驱动器瓷体两侧的外电极，所述无铅织构压电驱动器瓷体包括N层无铅织构化陶瓷膜材，N≥2，N为整数，至少2层所述无铅织构化陶瓷膜材的表面印刷有内电极，且印刷有内电极的所述无铅织构化陶瓷膜材按照正负电极交错方式循环堆叠；其中，所述无铅织构化陶瓷膜材包括铌酸钠钾系母材和片状模板。

2.如权利要求1所述的无铅织构压电驱动器，其特征在于，相邻所述印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材之间还设置有表面无内电极的所述无铅织构化陶瓷膜材。

3.如权利要求1所述的无铅织构压电驱动器，其特征在于，所述无铅织构压电驱动器瓷体的底层为所述印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材或表面无内电极的所述无铅织构化陶瓷膜材_，所述无铅织构压电驱动器瓷体的面层为印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材或表面无内电极的所述无铅织构化陶瓷膜材。

4.如权利要求1所述的无铅织构压电驱动器，其特征在于，印刷有内电极的所述无铅织构化陶瓷膜材表面印刷的是正内电极图案或负内电极图案，且相邻所述正内电极图案与负内电极图案之间有200μm-600μm的错位。

5.如权利要求1-4任一项所述的无铅织构压电驱动器，其特征在于，所述无铅织构化陶瓷膜材沿<001>方向定向排列；和/或

所述片状模板为铌酸钠；和/或

所述无铅织构压电驱动器瓷体的厚度为60μm-90μm；和/或

所述表面无内电极的无铅织构化陶瓷膜材的厚度为20μm-30μm；和/或

所述印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材的厚度为30μm-40μm。

6.如权利要求1-5任一项所述的无铅织构压电驱动器的制备方法，其特征在于，

制备无铅织构化陶瓷膜材，并将所述无铅织构化陶瓷膜材切成预设尺寸的方片结构，得空白无铅织构化陶瓷膜材；

在所述空白无铅织构化陶瓷膜材的一表面刷上内电极，得到印刷有内电极的无铅织构化陶瓷膜材；

按照无铅织构压电驱动器的设计要求，将若干层所述空白无铅织构化陶瓷膜材与所述印刷有内电极的电极无铅织构化陶瓷膜材按照正负极交错的方式循环叠压，得包括层叠设置的N层无铅织构化陶瓷膜材的无铅压电驱动器巴块；

将所述无铅压电驱动器巴块经等静压和切割处理，得无铅压电驱动器生坯；

将所述无铅压电驱动器生坯依次进行排胶和第一烧结，得无铅织构压电驱动器瓷体；

在所述无铅织构压电驱动器瓷体的两侧面依次进行端电极涂覆，第二烧结，极化，得所述无铅织构压电驱动器。

7.如权利要求6所述的无铅织构压电驱动器的制备方法，其特征在于，所述叠压的条件为：压力为10t-50t，保压时间为5s-60s。

8.如权利要求6所述的无铅织构压电驱动器的制备方法，其特征在于，所述方片结构的边长为100mm-500mm；和/或

所述等静压的条件为：压力为10MPa-60MPa，时间为5min-40min；和/或

所述排胶的条件为：于150℃-200℃温度下排胶10h-20h，然后于300℃-400℃条件下排胶10h-40h，再于500℃-600℃条件下排胶10-30h；和/或

所述第一烧结的条件为：温度为900℃-1250℃，时间2h-20h；和/或

所述第二烧结的温度为500℃-900℃；

所述极化的条件为：于2-4kV/mm电场下极化5min-60min。

9.如权利要求6所述的无铅织构压电驱动器的制备方法，其特征在于，所述无铅织构化陶瓷膜材的制备过程如下：

制备铌酸钠钾系母材颗粒及片状模板颗粒；

将所述铌酸钠钾系母材颗粒和所述片状模板颗粒与分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂混合，球磨处理，形成流延浆料；

将所述流延浆料在刮刀间隙为20μm-30μm的条件下进行流延，得所述无铅织构化陶瓷膜材。

10.如权利要求9所述的无铅织构压电驱动器的制备方法，其特征在于，

所述片状模板颗粒为铌酸钠；和/或

所述片状模板颗粒与所述铌酸钠钾系母材颗粒的摩尔比为0.1-30:100；和/或

所述分散剂的添加量为所述铌酸钠钾系母材颗粒总质量的0.5％-3％；和/或

所述粘结剂的添加量为所述铌酸钠钾系母材颗粒总质量的3％-20％；和/或

所述增塑剂的添加量为所述铌酸钠钾系母材颗粒总质量的1％-15％；和/或

所述溶剂的添加量为所述铌酸钠钾系母材颗粒总质量的50％-200％。

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