一种有双向应变的压电驱动器材料及其制备方法

本发明涉及功能陶瓷材料制备，具体地说，涉及一种压电陶瓷驱动器材料及其制备方法。

背景技术：

1、压电体受到外机械力作用而发生电极化，并导致压电体两端表面内出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外机械力成正比，这种现象称为正压电效应。压电体受到外电场作用而发生形变，其形变量与外电场强度成正比，这种现象称为逆压电效应。压电驱动器正是利用逆压电效应产生形变反应为微小位移。

2、压电驱动器也可定义为，利用压电材料(聚合物双晶片)逆压电效应(横向效应和纵向效应)，将电能转变为机械能或机械运动的器件。随着技术的进步，压电微位移驱动器的应用范围逐步增大。采用聚合物双晶片的驱动器，已用于显示器件控制、微位移产生系统等。

3、目前，比较主流的压电驱动器是由德国pi公司生产，体积小且有较大位移，但只能加单向电压，且滞后较大(15～20％)。位移较大反应为压电陶瓷内部畴的运动，因此也伴随着较大损耗、低的机械品质因数，以及低的线性度，国内常见的芯明天生产的驱动器，在微小电场作用下也能产生较大位移。但以上目前常用驱动器的共同问题在于，滞后较大，不能施加反向电场，否则陶瓷将会在双向电场作用下退极化，失去逆压电效应。

4、综上所述，目前商用的压电陶瓷材料中，寻找同时具备较大位移、低滞后、可加双向电压、低损耗、高机械品质因数及高线性度的压电驱动器材料，并完善制备工艺仍是科研人员寻找的方向。

技术实现思路

1、针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供了一种具有较大的电位移、低滞后、可加双向电压、低损耗、高机械品质因数特性的压电驱动器材料及其制备方法。

2、根据本发明的一方面，提供了一种有双向应变的压电驱动器材料，所述压电驱动器材料的组成通式为：pbxsryba(1-x-y)(tizzr1-z)o3+α％a，其中：x、y、z均为摩尔比，0.8≤x≤0.95，0≤y≤0.2，0.45≤z≤0.5，a为al、bi、la、mn、fe元素的氧化物中的一种或多种，每种氧化物的重量比α满足0.05≤α≤0.35。

3、优选的：所述压电驱动器材料的压电常数d33为460～550pc/n，位移滞后为5％～8％，损耗为0.1～0.3％。

4、根据本发明的另一方面，提供了上述有双向应变的压电驱动器材料的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤1，按组成通式的化学计量比称量原料，并混合均匀；

6、步骤2，将混合均匀的原料通过固相法合成粉体；

7、步骤3，将粉体过筛、球磨后烘干；

8、步骤4，将烘干后粉体压制成型得到素坯；

9、步骤5，将素坯烧结成陶瓷材料，并表面被覆电极；

10、步骤6，将被覆电极后的陶瓷材料极化，获得压电驱动器材料。

11、优选的：所述步骤1中通过将原料放入球磨罐中，加入去离子水，混合5～6小时后倒出烘干混合均匀。

12、优选的：所述步骤2中将混合均匀的原料过筛、压块后，放置在高温炉中，在850℃～1050℃下合成2～4小时，以得到所需要的粉体。

13、优选的：所述步骤3中将合成后的粉体打碎后过40目筛网，所得粉体放入球磨罐中，加入去离子水，球磨7～8小时后倒出、烘干。

14、优选的：所述步骤4中将烘干后的粉体加入粘结剂，造粒后压制成型，得到素坯，将压制成型的素坯在550℃～650℃下保温4～6小时。

15、优选的：所述步骤5中将素坯在1220℃～1280℃下烧结2～4小时，双面平磨，表面被覆电极。

16、优选的：所述步骤6中的极化过程包括：将被覆电极后的陶瓷加热至550℃后，冷却，然后在150～180℃的油浴里施加2～4kv/mm的电压极化。

17、优选的：还包括步骤7，将压电驱动器材料粘结成叠堆驱动器。

18、与现有技术相比，本发明技术方案制备工艺适合大料生产，制备的锆钛酸铅基压电陶瓷材料具有较大的电位移、低滞后、可加双向电压、低损耗、高机械品质因数的特性，可以制作高精度压电驱动器，在精密控制及加工等领域有着广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种有双向应变的压电驱动器材料，其特征在于，所述压电驱动器材料的组成通式为：pbxsryba(1-x-y)(tizzr1-z)o3+α％a，其中：x、y、z均为摩尔比，0.8≤x≤0.95，0≤y≤0.2，0.45≤z≤0.5，a为al、bi、la、mn、fe元素的氧化物中的一种或多种，每种氧化物的重量比α满足0.05≤α≤0.35。

2.根据权利要求1所述的有双向应变的压电驱动器材料，其特征在于：所述压电驱动器材料的压电常数d33为460～550pc/n，位移滞后为5％～8％，损耗为0.1～0.3％。

3.根据权利要求1所述的有双向应变的压电驱动器材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的有双向应变的压电驱动器材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中通过将原料放入球磨罐中，加入去离子水，混合5～6小时后倒出烘干混合均匀。

5.根据权利要求3所述的有双向应变的压电驱动器材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中将混合均匀的原料过筛、压块后，放置在高温炉中，在850℃～1050℃下合成2～4小时，以得到所需要的粉体。

6.根据权利要求3所述的有双向应变的压电驱动器材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中将合成后的粉体打碎后过40目筛网，所得粉体放入球磨罐中，加入去离子水，球磨7～8小时后倒出、烘干。

7.根据权利要求3所述的有双向应变的压电驱动器材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4中将烘干后的粉体加入粘结剂，造粒后压制成型，得到素坯，将压制成型的素坯在550℃～650℃下保温4～6小时。

8.根据权利要求3所述的有双向应变的压电驱动器材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5中将素坯在1220℃～1280℃下烧结2～4小时，双面平磨，表面被覆电极。

9.根据权利要求3所述的有双向应变的压电驱动器材料的制备方法，其特征在于：所述步骤6中的极化过程包括：将被覆电极后的陶瓷加热至550℃后，冷却，然后在150～180℃的油浴里施加2～4kv/mm的电压极化。

10.根据权利要求3所述的有双向应变的压电驱动器材料的制备方法，其特征在于：还包括步骤7，将压电驱动器材料粘结成叠堆驱动器。

技术总结
本发明提供了一种有双向应变的压电驱动器材料及其制备方法，组成通式为：Pb<subgt;x</subgt;Sr<subgt;y</subgt;Ba<subgt;(1‑x‑y)</subgt;(Ti<subgt;z</subgt;Zr<subgt;1‑z</subgt;)O<subgt;3</subgt;+α％A，其中：x、y、z均为摩尔比，0.8≤x≤0.95，0≤y≤0.2，0.45≤z≤0.5，A为Al、Bi、La、Mn、Fe元素的氧化物中的一种或多种，每种氧化物的重量比α满足0.05≤α≤0.35，利用固相法合成粉体，然后在高温炉中烧结致密，陶瓷被覆电极后经高温淬火，后在高温油浴里施加高压极化。本发明制备工艺适合大料生产，制备的陶瓷材料具有可加双向电场、低滞后、低损耗及高机械品质因数，适合制作压电陶瓷微位移驱动器，用在精密控制及高精度定位等领域。

技术研发人员：时雪,阮学政,田甜,李国荣
受保护的技术使用者：中国科学院上海硅酸盐研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13