CN1528023A - 用于电气部件的钝化材料及多层结构的压电部件 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种多层结构的压电陶瓷部件(10)，其中总是交替地重叠布置一个压电陶瓷层(11)和一个电极层(12，13)以便构成一复层体(18)，其中，每个电极层(12，13)至少局部地延伸到该复层体(18)的至少一个侧表面(19)。为保护部件(10)不短路和不击穿，在所述的至少一个侧表面(19)上设有一钝化层(20)。为了让钝化层(20)在任何时候且尤其是陶瓷层(11)开裂时都不受干扰地保持附着在部件(10)表面(19)上，根据本发明，钝化层(20)由一钝化材料构成，该钝化材料的抗裂强度小于其附着在部件(10)表面(19)上的附着强度。此外，描述了有利的钝化材料，它可以是聚氨酯、含氟硅橡胶等。

Description

用于电气部件的钝化材料及多层结构的压电部件

技术领域

本发明首先涉及如权利要求1前序部分所述的、用于电气部件的钝化材料以及如权利要求11前序部分所述的、多层结构的压电部件。

背景技术

压电部件例如可以被制造成呈多层部件形式的压电执行部件，它具有许多各自交替排列的压电陶瓷层和电极层，这样的压电部件在现代的电工技术设备中越来越重要。例如，压电执行部件被用作与阀等相关的伺服驱动机构。

例如，在DE19646676C1中详细描述了一种已知的压电执行部件。在这种压电陶瓷中利用这样的效应，即压电陶瓷在机械压力或拉力下充电，并且另一方面，当施加一电压时，它沿陶瓷层主轴线伸缩。为了简化可利用的长度伸缩，例如使用了单片的多层执行部件，它由一个烧结薄膜复层体构成，所述薄膜由压电陶瓷(如锆钛酸铅)和加入的金属电极层构成。电极层在交替侧伸出复层体外并通过外金属化部电并联。为此，在复层体的两个接触侧上分别涂上一个成条形或带形的连续的外金属化部，该外金属化部与所有同极性的电极层连接。

在外金属化部和压电执行部件的电接点之间，通常还涂覆有一个可以以多种形式实现的中转触点接通层，例如一个镀铜的凯普顿膜条等。如果在外触点接通层上施加一电压，则压电膜在场方向上伸缩。由于各压电膜在机械上是串联的，所以，当电压比较低时，就已经获得了整个复层体的额定伸缩值。

为了在占地最小的同时获得压电陶瓷多层执行部件的最佳偏移，电极层必须包括执行部件的整个横截面，直到例如无源的触通区。这意味着，这些极性交替变化的电极层在多层陶瓷的侧表面上露了出来。

因此，必须给外露的电极层配备适当的钝化材料。所述钝化材料通常是一种保护层、绝缘层等，借助该层，可以避免在相邻电极层之间的电击穿和短路。如果没有该钝化材料，则这样的电击穿和短路例如可能因表面的机械损伤或被杂质(如磨削粉尘、指纹等)、湿气(如银迁移物等)或工作物质(如柴油、菜籽甲酯等)弄脏而引起。这样的损伤和/或污染尤其是在执行部件工作中，但也可能是在加工作业中造成的。

目前，如此形成钝化层，即多层陶瓷在外金属化后被手涂上成自粘硅树脂形式的钝化材料。该硅树脂弹性体随后在烘干箱中在150℃下被固化约30分钟。接着，如此被钝化的执行部件在使用相同的硅树脂弹性体的情况下被一圆筒形塑料套包围起来。在这里，钝化材料的选择遵照以下标准：

首先，钝化材料必须具有大于150℃的持续耐温性，其原因是，上述类型的压电陶瓷多层执行部件例如被用作柴油机驱动装置中的执行部件，该柴油机驱动装置会有这样高的工作温度。另外，钝化材料应该尽可能自粘附在多层陶瓷上。最后，钝化材料目前要遵守这样的前提条件，即它具有大于200％的断裂伸长率，以便能够完成在执行部件工作中出现在极化裂纹上的伸长。

不过，基于自粘性硅树脂的钝化材料尤其是在柴油机喷油器的压电执行部件的工作中具有严重的缺点。因此，目前使用的基于硅树脂的钝化材料在受到柴油或菜籽甲酯(RME)浸润时不太耐膨胀。另外，钝化层在压电部件工作中可能脱离部件的表面。

发明内容

从上述现有技术出发，本发明的任务是提供一种钝化材料和一种多层结构的压电部件，其中可以避免所提出的缺点。尤其是可以提供一种钝化材料和一种压电部件，该部件能够实现或具有很高的可靠性和很长的使用寿命，最好在使用到柴油机用途中时也是如此。

通过根据权利要求1的钝化材料以及根据权利要求11的压电部件来完成该任务。从从属权利要求、说明书以及附图中得到了本发明的其它优点、特征、细节、方面和效果。结合本发明钝化材料来描述的特征和细节当然也适用于本发明的压电部件，或反之。

根据本发明的第一方面，提供一种用于一电气部件且尤其是用于一个多层结构的压电部件的钝化材料，根据本发明，该材料的特点是，该钝化材料具有一个小于该钝化材料附着在该电气部件上的附着强度的抗裂强度。

通过在一电气部件上使用本发明的钝化材料，提供了具有很高的可靠性和长的使用寿命的部件。此外，本发明不局限于某些类型的电气部件。确切地说，钝化材料可以被用在任何形式的电气部件上，所述电气部件需要一个相应的钝化层。但是，本发明的钝化材料可以有利地被用在多层结构的压电部件上如一个在说明书前言部分中提出的多层结构的压电陶瓷执行部件上。

如果伸缩性强的物质是迄今从现有技术中知道的钝化材料的前提条件，则现在令人吃惊地发现，这样的材料可以有利地被用作适当的钝化材料，即它的抗裂强度小于该材料在电气部件上的附着强度。

在这里，抗裂强度是指开裂瞬间的(拉)应力。附着强度是制这样的应力，即在该应力下，惰性材料在电气部件上的附着断开。因此，附着强度可以是这样的应力，即钝化材料在该应力下脱离电气部件。

此外，本发明源于以下基本设想，即电气部件且尤其是一个多层结构的压电部件的取决于极性和工作状况的机械损伤主要起始于压电无源触通区里。在该区域中，在内电极和承载电极的材料如陶瓷层之间的界面上，可能在直达部件表面的电极上出现剥裂。不同极性的两个电极层之间的连接在裂纹扩展时通常不会出现。与之相应地，即便在裂缝中有湿气等的情况下，也不会在电气部件内的不同极性的电极层之间出现短路或击穿。

而对电气部件且尤其是多层结构的压电部件的可靠性很重要的是，钝化材料在电气部件表面上的附着在裂纹开口周围不受干扰地保持不变。如果钝化层没有在剥裂区域中即大致在陶瓷层中开裂，则在压电部件偏移和进而裂纹边沿开裂时，相当高的拉应力和剪应力被加入到在裂纹周围的电气部件和钝化材料的界面中。这可能导致钝化材料在此区域里连续脱落。现在，如果湿气等进入在电气部件表面和钝化材料之间形成的缝隙，则恐怕因在不同极性的两个相邻电极层之间的沿电气部件表面的电短路而出现电气部件的快速失效。

通过使用本发明的钝化材料，可以从此刻起避免这些缺点。就是说，在钝化材料因上述情况而脱离压电部件表面之前，在钝化材料中出现一道裂纹。这样的裂纹且尤其是垂直于钝化材料表面的裂纹如此减小了在钝化材料平面内如在一钝化层中的、且由所包覆的电气部件的工作伸缩引起的拉应力和剪应力，即该钝化材料不再脱离电气部件表面。在这里，抗裂强度和附着强度有利地是指在钝化材料的如一钝化层的平面中的机械应力的等级。

通过本发明的钝化材料的实施形式，从现在起，提供了对潜在可用的钝化材料的多种选择，这是因为，从此刻起，尤其是也能考虑具有较小膨胀性的高度交联的体系。

钝化材料可以有利地由至少一种塑料构成。

在这种情况下，原则上任何形式的聚合物都可被用作适当的塑料，它们具有本发明的材料性能。因此，从现在起，尤其是也可以使用这样的聚合物，即它们可以通过择一的涂覆方法来产生，例如等离子体淀积、电晕淀积、溅射、火焰CVD等。

塑料例如可以是一种热塑性塑料，它的特征是，它在一定条件下可以处于热塑状态。

例如，至少一种塑料可以成高度交联的塑料的形式。

钝化材料最好由一种在加工中有低粘性的材料构成。在这里，作为低粘性材料，原则上是指这样的材料，即它们在其加工中具有低粘度，其中粘度通常是指材料粘稠性或材料内摩擦的对照参数，尤其是液态或半液态的材料。

因此，使用这样的材料是非常有利的，因为给电气部件包覆或涂覆适当的钝化材料最复杂并因而需要很讲究的生产工艺。将钝化材料施加到压电部件上例如可以借助注塑法等实现。

钝化材料可以有利地由至少一种聚氨酯构成。聚氨酯最好是一种可浇注的聚氨酯。作为适当的聚氨酯，可以有利地采用高度交联而成的聚氨酯。

尤其是，可浇注的聚氨酯的优点是，它在加工中有很低的粘度。

此外，聚氨酯的优点是，即便温度低时，它们也允许高达200％的伸缩。当聚氨酯作为钝化材料被用于多层结构的压电部件如执行部件时，这是特别有利的。在使用场合下，这样的压电执行部件完成可观的纵向伸缩。这种动态运动应该也尽可能最佳地由钝化材料完成。尽管在室温下或在较高温度下，这些要求很少被认为是难以达到的，但这些要求在如低于-20℃且尤其是低于-40℃的低温下就难以满足了。聚氨酯的优点是，即便在-40℃的温度下，它们仍然有高于200％的断裂伸长率。

聚氨酯在水和柴油中也有很好的耐介质性。以下还将结合下述膨胀度来加以说明。另外，聚氨酯具有低的介质渗透性、高动态稳定性以及与压电部件表面如陶瓷表面的良好附着能力。最后，与其它材料相比，聚氨酯比较便宜。

最后，聚氨酯在150℃时还有良好的抗热老化率。热老化通常导致材料软化，这反映在硬度如肖氏硬度的连续下降。与样品硬度连续降低有关系的是断裂伸长率的增大，其中随着材料存放时间的延长，断裂伸长率增大到高值的正向增大又减小了。随着存放时间的延长，抗拉强度表示与断裂伸长率类似的进展情况。在强度开始增大之后就是快速降低，但是在长期存放的情况下，这种降低在一个几乎固定不变的水平上波动。

在另一个实施形式里，钝化材料可以由至少一种基于氟基的材料构成。

在这里，该材料最好是含氟塑料。在这里，它例如是聚四氟乙烯PTFE、PFA、FEP、ETFE等。但作为适当的钝化材料，如可以采用含氟硅树脂或含氟橡胶。含氟橡胶尤其是具有良好的耐介质性以及良好的耐温性以及在加工中有低粘性。尤其是在最低温度下，如在约-40℃时，含氟橡胶仍有良好的热稳定性。

钝化材料可以有利地由至少一种基于含氟硅橡胶的材料构成，在这里，它是这样的材料，即该材料也作为液态体系即在加工中有低粘性的材料来获得。即便在达到-40℃的低温下，含氟硅橡胶还具有很好的耐温性以及可以高于200％的断裂伸长率。

含氟硅橡胶表示出良好的耐介质性，尤其是在象水、柴油、菜籽甲基这样的介质中，在高的工作温度下，这也表现为低膨胀度。膨胀度的意思在以下说明中还要加以解释。

在另一实施形式中，钝化材料例如可以由至少一种树脂构成。在这里，可以想到硅树脂、环氧树脂等。

钝化材料最好也可由至少一种选自胶乳的材料构成。作为适当材料，在此例如可以举出(但不是唯一的)丙烯酸酯胶乳。这样的丙烯酸酯胶乳可以有利地弥散于水里。

在另一实施形式中，钝化材料可以由选自聚酰亚胺和/或聚酰胺和/或聚甲基丙烯酸甲酯和/或聚对苯二甲撑的至少一种材料构成。聚酰亚胺例如可以是凯普顿。聚对苯二甲撑例如可以借助气相沉积获得。

钝化材料可以有利地分别由单独一种上述材料或按照任意组合方式的多种上述材料得到。唯一重要的是，钝化材料的抗裂强度小于其在电气部件上的附着强度。

钝化材料可以有利地具有在液态介质中的≤40％的膨胀度。在这里，这样的膨胀度是在一定时间里测量的体积变化百分率。

如果具有一钝化材料的压电部件例如成设置用作柴油机中的驱动装置的压电执行部件的形式，则包覆执行部件的材料，如覆盖执行部件表面的钝化材料要耐周围介质如水、柴油、菜籽甲酯等的作用。这尤其适用于高达150℃的工作温度，这个温度可能以热峰值负载的形式出现在柴油机里。由于钝化材料还起到压电执行部件的保护层的作用，所以它必须在一定程度上具有不透这些介质的密封性。在这里，作为阻隔性能的尺度，在假定低膨胀度就意味着更高密封性的条件下，考虑材料在相应介质中的膨胀或膨胀度。

膨胀度的确定是如此进行的，即一个钝化材料的样品在一定时间里并在一定温度下被放入一种介质中，其中在经过实验时间后如此测量膨胀情况，即测量在膨胀实验开始前和结束后的样品体积。

在所进行的一系列实验中，各种不同的钝化材料被放在水、柴油和菜籽甲酯中达96个小时。在这里，要发现这样的钝化材料，即它具有等于或小于40％并最好是等于或小于20％并且更好地等于或小于10％的膨胀度。

在100℃下的水中膨胀实验表明，聚氨酯和含氟硅橡胶尤其适用作钝化材料，其膨胀度为小于5体积％。

在柴油中的钝化材料膨胀实验是在140℃下进行的。在这里，优选材料也是聚氨酯和含氟硅橡胶。

在菜籽甲酯中的膨胀实验也是在140℃下进行的。在这里，作为特别优选的钝化材料，也是聚氨酯和含氟硅橡胶。这两种材料就是在96小时存放时间后也只有小于或等于40％的适中的膨胀度。

钝化材料有利地具有大于150℃的持续耐温性。

与从现有技术中公开的、迄今所用的并且其中必须满足高膨胀性要求的钝化材料相比，如上所述的本发明钝化材料具有一系列的优点。例如，本发明的钝化材相当耐膨胀，尤其是在柴油和菜籽甲酯里。另外，本发明的钝化材料具有很高的附着于电气部件上的附着性，这可以在添加或不添加结合剂如增附剂等的情况下实现。另外，这些钝化材料在加工中具有低粘性，这尤其是简化了其制造以及将其施加在电气部件上，如借助浇注法等。另外，本发明的钝化材料显示出在工艺技术方面可优化的交联过程和/或硬化过程。现在，本发明的钝化材料可以借助可选的涂覆方法被施加到电气部件上，例如借助浸渍、喷涂、CVD(化学气相沉积)等。此外，这些钝化材料显示出小得多的透水蒸汽和其它气体的渗透性以及高得多的电绝缘性和耐击穿性。最后，在电气部件上使用本发明的钝化材料也导致该部件功能的明显改善以及工艺技术转换的简化。

根据第二方面，提供一种多层结构的压电部件，其中总是交替地重叠布置一个压电陶瓷层和一个电极层以便构成一复层体，其中每个电极层至少在局部延伸到该复层体的至少一个侧表面处，其中在所述的至少一个侧表面上设有一钝化层。根据本发明，该压电部件特征在于，该钝化层由一种上述的本发明钝化材料构成。

通过基于本发明钝化材料地形成钝化层，现在就能提供具有长使用寿命的可靠的压电部件，其中钝化层在复层体表面上的附着在任何时刻，尤其是在陶瓷层开裂之后也不受干扰地保持不变，其原因例如是，钝化材料的抗裂强度小于附着强度。关于压电部件的优点、作用、效果和功能方式，为了避免重复，有利地参见并引用以上对本发明钝化材料的描述。

该钝化材料最好可以借助至少一种粘合剂设置在该复层体的所述至少一个侧表面上。但是，这样的粘合剂不是在任何情况下都需要的。如果钝化材料例如由至少一种聚氨酯构成，则在聚氨酯之间的结合在其被涂覆到陶瓷层上后如此强地形成，即不需要附加的粘合剂。但如果无法实现这样强烈的结合，则可以通过使用适当的粘合剂来实现相应的附着强度。

此外，本发明不局限于某些类型的粘合剂。例如(但不局限于此地)，作为粘合剂可以使用适当的增附剂。在这种情况下，根据所用钝化材料的类型和其上要涂覆钝化材料的压电部件材料的类型来选择增附剂。

多层结构的压电部件可以有利地成压电执行部件或压电换能器的形式。执行部件的优选实施方式例如是层叠执行部件、横向执行部件、弯曲执行部件等。

特别有利的是，该压电执行部件可以成在柴油机驱动装置中的压电执行部件的形式。就是说，通过将本发明的钝化材料用在压电部件的表面上，也可以实现压电执行部件的耐柴油的可靠钝化。

附图说明

现在，结合一个实施例并参见附图来详细说明本发明。唯一的附图以透视图形式示出了多层结构的本发明压电部件的局部。

具体实施方式

图1表示多层结构的成压电执行部件形式的压电部件10。压电执行部件10是一个由许多压电陶瓷层11和电极层12、13构成的复层体18。在这里，电极层12和13分别有不同极性，其中，同极性的电极层分别被称为第一电极层12或第二电极层13。同极性的电极层12或13分别与一外金属化部15连接。

还可以看到无源的绝缘区14，它们交替布置在在这里未遍及整个复层体横截面的连续的电极层12、13的对置角上。这种结构允许通过一个共用的垂直外金属化部15来共同连接具有同极性的所有的第一电极层12或所有的第二电极层13。外金属化部15例如可以是一个相应的金属化带，它或许通过一个相应的中转触点接通层16与其它的侧突出的触点片17接通。

在压电执行部件10的工作过程中，为其施加了高电压。该电压导致在陶瓷层11中可能出现裂纹。压电执行部件10的这种取决于极性和工作状况的机械损伤主要起始于无源的绝缘区14。在那里，可能在直达复层体侧表面19的电极层12、13上出现电极层-陶瓷界面的剥裂。不同极性的两个电极层12、13之间的连接在裂纹扩展时一般不会出现。因此，即便当在裂缝中有湿气等时，也不会在压电执行部件10内部出现在不同极性的电极层12、13之间的电击穿或短路。

为了能在占地最小的同时用压电执行部件10获得最佳的偏移，电极层12、13必须包括压电执行部件10的整个横截面，除了无源绝缘区14外。这意味着，具有交替变化的极性的电极层12、13在复层体18的侧表面19上露了出来。因此，必须给外露出电极层12、13的复层体18的侧表面19配设适当的钝化层20。在图1中，在一个侧表面19上示出了一这样的用交叉阴影线表示的钝化层20。为清楚起见，只有其中一个表面19具有钝化层20。当然，复层体20的所有表面都可以有这样的钝化层20。还可以想到的是，包括外金属化部15、中转触点接通层16和触点片17等在内的整个压电部件10具有一个由钝化材料构成的外壳。为此，整个构件例如可以在一个由钝化材料构成的适当的外壳中浇注而成。

钝化层20可以是一种保护层。它避免了在不同极性的相邻电极层12、13之间的电击穿和短路。这种击穿和短路例如可能因复层体18表面19的机械损伤或因被杂质、湿气、工作介质等弄脏而出现的。

对压电执行部件10的可靠性很重要的是，钝化层20如一个可借助丝网印刷法、浇注法等涂覆到复层体表面19上的适当的钝化层在任何时候都能不受干扰地保持附着在陶瓷层11的表面上。在这种情况下，钝化层20尤其是必须不受干扰地保持在这样的区域里，即在所述区域里，在陶瓷材料中出现上述的剥裂。此外，如果钝化层20在陶瓷的这样一个剥裂区域中没有开裂，则当压电执行部件10偏移时并进而当裂纹边沿都裂开时，相当高的拉应力和剪应力被加入到在裂纹周围的陶瓷-钝化材料界面中。这导致钝化层20在此区域里逐渐剥裂。

如果湿气等现在进入在执行部件表面19和钝化层20之间形成的缝隙中，则恐怕压电执行部件10会因在不同极性的相邻电极层12、13之间的沿表面19的电短路而快速失效。

为避免这些缺陷，现在，如此形成钝化层20的钝化材料，即它的抗裂强度小于钝化材料在压电执行部件10上的附着强度。这意味着，不会再出现上述不利的钝化层20脱离复层体18的表面19，因为钝化层20在脱离前已开裂。这在图1中借助用圆圈标记的放大局部A示出了。在放大局部A中，为此示意示出了在钝化层20里的一道裂纹21，该裂纹的走向例如垂直于钝化层20的表面。通过这样一道裂纹21，如此减小了在钝化层20平面中的由被钝化层22包围的压电执行部件10的工作伸缩而引起的拉应力和剪应力，即钝化层20不再脱离复层体18的表面19。

至少一种聚氨酯和/或至少一种含氟硅橡胶被有利地用作适当的钝化材料，因为这些材料同时还具有一个很有利的膨胀度，尤其是在如水、柴油、菜籽甲酯等介质中。因此，一个如此钝化的压电执行部件10可以被用在柴油机组中，其中压电执行部件10可以顺利地用上述介质浇淋，而又不损失其密封性。

Claims (14)

1.一种用于电气部件且尤其是多层结构的压电部件的钝化材料，其特征在于，该钝化材料具有一个小于该钝化材料附着在该电气部件上的附着强度的抗裂强度。

2.如权利要求1所述的钝化材料，其特征在于，该钝化材料由至少一种塑料构成。

3.如权利要求1或2所述的钝化材料，其特征在于，该钝化材料由至少一种在加工中具有低粘性的材料构成。

4.如权利要求1-3之一所述的钝化材料，其特征在于，该钝化材料由至少一种聚氨酯构成。

5.如权利要求1-4之一所述的钝化材料，其特征在于，该钝化材料由至少一种基于氟的材料构成。

6.如权利要求1-5之一所述的钝化材料，其特征在于，该钝化材料由至少一种树脂构成。

7.如权利要求1-6之一所述的钝化材料，其特征在于，该钝化材料由至少一种选自胶乳的材料构成。

8.如权利要求1-7之一所述的钝化材料，其特征在于，该钝化材料由从聚酰亚胺和/或聚酰胺和/或聚甲基丙烯酸甲酯和/或聚对苯二甲撑中选出的至少一种材料构成。

9.如权利要求1-8之一所述的钝化材料，其特征在于，该钝化材料在液态介质中的膨胀度为≤40％。

10、如权利要求1-9之一所述的钝化材料，其特征在于，该钝化材料具有大于150℃的持续耐温性。

11、一种多层结构的压电部件，其中总是交替地重叠布置一个压电陶瓷层(11)和一个电极层(12，13)而构成一复层体(18)，其中，每个电极层(12，13)至少局部地延伸到该复层体(18)的至少一个侧表面(19)，其中在所述的至少一个侧表面(19)上设有一钝化层(20)，其特征在于，该钝化层(20)由如权利要求1-10之一所述的钝化材料构成。

12、如权利要求11所述的压电部件，其特征在于，该钝化材料借助至少一种粘合剂设置在该复层体(18)的所述至少一个侧表面(19)上。

13、如权利要求11或12所述的压电部件，其特征在于，该压电部件成压电执行部件或压电换能器的形式。

14、如权利要求11-13之一所述的压电部件，其特征在于，该压电部件成在一柴油机驱动装置中的压电执行部件的形式。

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