[发明专利]一种用于叠层致动器低温共烧压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于叠层致动器低温共烧压电陶瓷材料及其制备方法，其化学通式为aPb(Mg_1/3Nb_2/3)‑bPb(Sb_1/2Nb_1/2)‑cPb(Zn_1/3Nb_2/3)‑dPb(Zr_0.52Ti_0.48)+x％LiF+y％M_uOv+z％SrCO₃，其中0.03≤a≤0.06；0.01≤b≤0.03；0.005≤c≤0.03；0.80≤d≤0.95，0x≤0.2，0y≤1，0z≤0.2。通过调整陶瓷配方以及添加组合掺杂剂，可以将陶瓷的烧结温度从1200℃降至850～950℃，并能获得大的压电常数(d₃₃≥500pC/N)、大的机电耦合系数(k_p≥0.65)、以及较高居里点(T_c250℃)及适中的介电常数(ε_r＝2000～4000)，可以满足叠层压电致动器共烧工艺对陶瓷材料的应用要求。

技术领域

本发明属于无机非金属电子材料技术领域，涉及一种压电陶瓷材料的制备方法，具体涉及一种用于叠层致动器低温共烧压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电叠层致动器广泛应用于精密机械加工、微笑振动控制、微电子技术、光学校准等需要精确定位的高新技术领域。而这些应用领域需要压电陶瓷器件向小体积、低驱动、大位移、可集成等方向发展。压电叠层器件需要满足灵敏度高、静态输出力矩大、温度稳定性好等特点，而作为核心的压电驱动材料配方必须具备：高的压电常数以实现低电压驱动和大的输出力；高的机电耦合系数以便具有较宽的工作频率和较高的转换效率；较高的居里点从而改善器件的温度稳定性，才可以适应恶劣应用环境以及避免器件工作过程中产生的热量导致器件性能蜕化；适中的介电常数ε，避免交变电场下的发热和较高输入阻抗。

Pb(Mg_1/3Nb_2/3)-Pb(Zr_0.52Ti_0.48)(PMN-PZT)是一种典型的三元体系钙钛矿压电陶瓷材料，它具有高的压电常数、高的机电耦合系数以及较高的居里温度，是叠层致动器的关键材料。但该体系压电陶瓷烧结温度一般在1200℃以上，较高的烧结温度会导致材料中的铅挥发，污染环境的同时会导致陶瓷材料中化学计量比的偏离。这不仅会产生杂相，导致钙钛矿结构的变化，同时会恶化陶瓷的压电性能，还会影响产品批量生产的一致性。降低压电陶瓷烧结温度的方法有：1)改进制备工艺如化学方法制粉，提高粉体活性，降低陶瓷烧结温度，但该方法工艺复杂成本较高；2)添加玻璃粉或低熔点氧化物烧结助剂，在烧结过程中，玻璃或者低熔点氧化物形成液相，易于传质，有利于气孔的排除和陶瓷的致密化，降温效果非常明显，但陶瓷晶界容易聚集非铁电第二相，导致材料性能急剧恶化，不利于高性能水平的应用领域；

3)固溶或掺杂氧化物，形成过渡液相烧结，在烧结前期形成液相促进传质降低烧结温度，在烧结后期液相进入晶格，减少杂相的生成，避免了陶瓷性能的恶化。兼顾压电陶瓷的低温烧结以及高水平的压电性能是压电陶瓷低温烧结研究的难点。