BFO、PZT基压电陶瓷及PZT基多层压电陶瓷驱动器的制备和性能研究

摘要

本文首先通过国相反应法制备了(1-x)BiFeO3-xBi0.5K0.5TiO3(简称为(1-x)BFO-xBKT)与Pb0.92Sr0.06Ba0.02(Mg1/3Nb2/3)0.25Ti0.40Zr0.35O3(简称为PMN-PZT)陶瓷并研究了它们的微结构和电学性能。通过在PMN-PZT原料中加入一定量的CuO显著降低了陶瓷的烧结温度，在900℃制备了具有PMN-PZT/Ag多层结构的压电陶瓷驱动器，并与粘接法制备的驱动器进行对比，分析各自的特点。
　　首先，采用固相反应法制备(1-x)BFO-xBKT陶瓷，并探索Bi0.5K0.5TiO3含量对(1-x)BFO-xBKT陶瓷的结构和电学性能的影响。当Bi0.5K0.5TiO3含量为x=0.4时，陶瓷形成准同型相界。此时，陶瓷的压电常数d33高达61 pC/N，远高于BiFeO3陶瓷，居里温度为458℃。这表明0.6BFO-0.4BKT陶瓷在制备高温环境下使用的多层压电陶瓷驱动器上具有较大的潜力。
　　其次，采用固相反应法制备PMN-PZT陶瓷，并探索烧结温度对PMN-PZT陶瓷的结构和电学性能的影响。在1250℃的烧结温度下陶瓷具有更好的电学性能，压电常数d33高达690 pC/N，居里温度为200℃。由于PMN-PZT陶瓷的烧结温度过高，本文在PMN-PZT陶瓷基础上，添加了CuO烧结助剂做进一步的低温烧结研究。实验结果表明，CuO的添加降低了陶瓷的烧结温度。在添加0.7wt％CuO之后，陶瓷的最优烧结温度从1250℃降低至900℃，并且具有630 pC/N的压电常数，以及在40kV/cm的电场下实现0.28％的较大应变。这些性质使其在制备大位移多层压电陶瓷驱动器上具有较大的潜力。
　　最后，采用PMN-PZT:0.7wt％ CuO组分进行低温共烧制备多层压电陶瓷驱动器。同时与采用陶瓷片粘接法制备的多层压电陶瓷驱动器进行对比。实验结果表明，低温共烧制备的多层压电陶瓷驱动器，压电陶瓷单元与银层之间结合情况良好，没有较大缺陷。压电陶瓷单元厚度均匀，每个单元约为70μm。内电极层厚度均匀。纵向长度1.98 mm，横截面积7.27×10.05mm的压电驱动器在150 V的电压下位移为2.24μm，约为驱动器长度的0.11％，推力为2.7 kN。粘接法制备的长20.01mm，横截面积7.57×6.22mm的多层压电驱动器在150 V的电压下位移为17.9μm，约为驱动器长度的0.089％，推力为3kN。
　　总之，本文对于(1-x)BFO-xBKT陶瓷的研究使得制备高温环境下使用的驱动器成为可能。同时对于PMN-PZT陶瓷的研究使得PMN-PZT多层压电陶瓷驱动器有望占领市场。