本发明专利技术涉及一种多层压电致动器，具体涉及一种大应变多层无铅压电致动器及其制备方法。该大应变多层无铅压电致动器的制备方法包括陶瓷粉料制备、陶瓷浆料制备、加入模板粉料后流延浆料制备、陶瓷生胚膜带制备、切割、丝网印刷内电极、叠层装袋、温等静压、排胶烧结、被Ag外电极等步骤。在无铅压电陶瓷流延浆料中加入模板粉体，制备出陶瓷层为具有<001>择优取向的多层无铅压电致动器，提高了无铅压电陶瓷层的压电性能，增大了多层无铅压电致动器的电致应变50％‑100％，降低了器件驱动电场10‑50％，使大应变多层无铅压电致动器的产业化成为可能，制备过程中只需要在流延浆料中加入一定量的模板粉体，此工艺与传统铅基多层无铅压电致动器的制造工艺完全兼容，市场前景巨大。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种多层压电致动器，具体涉及一种大应变多层无铅压电致动器及其制备方法。
技术介绍
压电陶瓷致动器利用压电材料逆压电效应将电能转换为机械应变或应力，克服了机械式、液压式、气动式、电磁式等传统执行器惯性大、响应慢、结构复杂、可靠性差等不足，具有结构简单、位移精度高、响应快、驱动力大、无电磁干扰、无噪声、结构刚度大等优点。可应用于微型机械制造、超精密加工、精密光学仪器、生物工程、集成电路制造、医疗科学、光纤对接、光学微处理系统以及航空航天等领域，市场极为巨大。但是当前多层使用铅基压电材料，其中PbO(或Pb3O4)约占总质量的70％左右，如此高的Pb含量在制备、使用及废弃后处理过程中会给环境和人类健康带来很大的损害。为了替代传统铅基多层无铅压电致动器，日本学者在论文“Electric-field-induced strain for(Bi1/2Na1/2)TiO3-based lead-free multilayer actuator,”(J Ceram Soc Jpn2010年第118卷第8期)中报道了一种采用钛酸铋钠无铅压电材料制备多层无铅压电致动器的方法，在7kV/mm的驱动电场下其电致应变量可以达到0.17％，输出应变小，驱动电场大。奥地利学者在“BNT-based multilayer device with large and temperature independent strain made by a water-based preparation process”(J Eur Ceram Soc 2011年第31卷第9期)中报道了采用掺杂Nb的钛酸铋钠无铅压电陶瓷制备多层无铅压电致动器的方法，在7kV/mm的驱动电场下其电致应变量可以达到0.20％。目前工业应用的多层无铅压电致动器都是采用Pb(Zr,Ti)O3(PZT)等传统铅基材料，为了防止环境污染，欧洲、日本、韩国及中国等绝大多数国家相继出台法律，禁止或限制Pb在电子产品中的使用。但是受制于无铅压电陶瓷材料性能稍差的缘故，欧盟颁布的禁止使用有毒元素的WEE与RoHs/ELV法案对压电材料作为特例对待，但是一旦无铅压电材料有所突破，或者WEE与RoHs/ELV法案严格执行起来，目前应用的所有含铅压电器件将不能使用。现在正在研发的多层无铅压电致动器存在电致应变小、驱动电场高等缺点。BNT-BT-KNN弛豫型无铅压电陶瓷具有比软性PZT还要大的电致应变，在压电致动器方面有极大的潜在应用价值，但是所需驱动电场过大，难以实际应用。BNT-BT以及KNN基无铅压电陶瓷，驱动电场小，但是压电系数小，采用通常方法制备出的多层无铅压电致动器应变小，离实际应用还有较大差距。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种具有大应变的多层无铅压电致动器及其制备方法，克服现有技术中多层无铅压电致动器应变较小的不足。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种大应变多层无铅压电致动器及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将(I)至(V)任一种化学式中包含的各金属的氧化物或盐按其式中的化学计量比配料混合，球磨，烘干，预压，预烧，再球磨，烘干，过筛，得到无铅压电陶瓷粉料，(I)至(V)代表的化学式如下：(1-x1-y1)Bi0.5Na0.5TiO3-x1BaTiO3-y1AgNbO3 (Ⅰ)(1-x1-y1)Bi0.5Na0.5TiO3-x1BaTiO3-y1Na0.5K0.5NbO3 (Ⅱ)(1-x2-y2)Bi0.5Na0.5TiO3-x2Bi0.5K0.5TiO3-y2SrTiO3 (Ⅲ)(1-x2-y2)Bi0.5Na0.5TiO3-x2Bi0.5K0.5TiO3-y2BiAlO3 (Ⅳ)(1-x2-y2)Bi0.5Na0.5TiO3-x2Bi0.5K0.5TiO3-y2(Ba0.8Ca0.2)ZrO3 (V)其中，0.05≤x1≤0.07，0.01≤y1≤0.03；0.16≤x2≤0.22，0.01≤y2≤0.03；S2.将由有机溶剂、增塑剂、粘合剂及分散剂组成的有机混合物与S1中的无铅压陶瓷粉料等质量混合，充分球磨得陶瓷浆料，其中有机溶剂、增塑剂、粘合剂及分散剂的质量比为(22～28)：(2～6)：(2～6)：(3～5)；S3.在S2中的陶瓷浆料中加入片状模板粉体，其中所述片状模板粉体与所述陶瓷浆料中的无铅压电陶瓷粉料的质量比为(5～15)：(85～95)，充分球磨，制得流延浆料；S4.使用流延机将S3中的流延浆料流延成陶瓷生坯膜带，刮刀高度设置为100～400μm，自然干燥后，横向切割成陶瓷生坯膜带片段；切割成陶瓷生坯膜带片段是为了方便的在其上丝网印刷出内电极。S5.在S4中的陶瓷生坯膜带片段的上表面丝网印刷若干呈阵列分布的Pt或Ag/Pd内电极，随后在叠片机上叠层；S6.将S5中叠层后的陶瓷生坯膜带片段装入塑料袋中并抽真空后封口，随后置于温等静压机中进行等静压处理；S7.将S6中等静压处理后的陶瓷生坯膜带片段再次沿横向切割成更小片段，每个片段均为单个多层无铅压电致动器大小(根据需要的大小进行切割)，以0.1～0.5℃/min加热至450～550℃排胶，保温2～4小时，然后以3～8℃/min速率升温至1100～1150℃烧结，保温2～4小时后，即得到烧结的多层无铅压电致动器；S8.将S7中的多层无铅压电致动器侧面被Ag外电极，随后进行测试、筛选和封装，即得大应变多层无铅压电致动器。被Ag外电极是指在压电陶瓷表面刷上一层银浆料，干燥和热处理后得到一层导电性能好的银电极。在上述制备方法的基础上，本专利技术还可以对其做如下进一步的具体化或优化。进一步，S1中的预烧温度为800～950℃。进一步，S2中所述有机溶剂由乙醇与丁酮的混合而成，所述增塑剂由邻苯二甲酸二丁酯与聚乙二醇混合而成，所述粘合剂为PVB,所述分散剂为三乙醇胺。优选的，所述乙醇与丁酮的质量比为2：3，所述邻苯二甲酸二丁酯与聚乙二醇的质量比为1：1。进一步，S3中的片状模板粉体为Bi0.5Na0.5TiO3、SrTiO3和BaTiO3片状模板粉体中的任一种。进一步，S6中等静压处理时的温度为60～80℃、压力为100～300MPa。本专利技术还要求保护一种大应变多层无铅压电致动器，其通过上述制备方法制得。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)在无铅压电陶瓷流延浆料中加入模板粉体，制备出陶瓷层为具有<001>择优取向的多层无铅压电致动器，提高了无铅压电陶瓷层的压电性能，增大了多层无铅压电致动器的电致应变50％-100％，降低了器件驱动电场10-50％，使大应变多层无铅压电致动器的产业化成为可能，制备过程中只需要在流延浆料中加入一定量的模板粉体，此工艺与传统铅基多层无铅压电致动器的制造工艺完全兼容，市场前景巨大。(2)本专利技术提供的制备方法在多层无铅压电陶瓷烧结之前已在其内部层间设置了电极，烧结之后再设置位于外部的侧面电极就形成了多层无铅压电致动器，陶瓷烧结与内电极设置一步完成，节省了工序且有利于提高材料性能。附图说明图1为在陶瓷生胚膜带片段上表面丝网印刷的内电极的结构示意图；图2为Bi0.5Na0.5TiO3片状模板粉体的SEM照片；图3为实施例1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种大应变多层无铅压电致动器及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将(I)至(V)任一种化学式中包含的各金属的氧化物或盐按其式中的化学计量比配料混合，球磨，烘干，预压，预烧，再球磨，烘干，过筛，得到无铅压电陶瓷粉料，(I)至(V)代表的化学式如下：(1‑x1‑y1)Bi0.5Na0.5TiO3‑x1BaTiO3‑y1AgNbO3 (Ⅰ)(1‑x1‑y1)Bi0.5Na0.5TiO3‑x1BaTiO3‑y1Na0.5K0.5NbO3 (Ⅱ)(1‑x2‑y2)Bi0.5Na0.5TiO3‑x2Bi0.5K0.5TiO3‑y2SrTiO3 (Ⅲ)(1‑x2‑y2)Bi0.5Na0.5TiO3‑x2Bi0.5K0.5TiO3‑y2BiAlO3 (Ⅳ)(1‑x2‑y2)Bi0.5Na0.5TiO3‑x2Bi0.5K0.5TiO3‑y2(Ba0.8Ca0.2)ZrO3 (V)其中，0.05≤x1≤0.07，0.01≤y1≤0.03；0.16≤x2≤0.22，0.01≤y2≤0.03；S2.将由有机溶剂、增塑剂、粘合剂及分散剂组成的有机混合物与S1中的无铅压陶瓷粉料等质量混合，充分球磨得陶瓷浆料，其中有机溶剂、增塑剂、粘合剂及分散剂的质量比为(22～28)：(2～6)：(2～6)：(3～5)；S3.在S2中的陶瓷浆料中加入片状模板粉体，其中所述片状模板粉体与所述陶瓷浆料中的无铅压电陶瓷粉料的质量比为(5～15)：(85～95)，充分球磨，制得流延浆料；S4.使用流延机将S3中的流延浆料流延成陶瓷生坯膜带，刮刀高度设置为100～400μm，自然干燥后，横向切割成陶瓷生坯膜带片段；S5.在S4中的陶瓷生坯膜带片段的上表面丝网印刷若干呈阵列分布的Pt或Ag/Pd内电极，随后在叠片机上叠层；S6.将S5中叠层后的陶瓷生坯膜带片段装入塑料袋中并抽真空后封口，随后置于温等静压机中进行等静压处理；S7.将S6中等静压处理后的陶瓷生坯膜带片段再次沿横向切割成单个多层无铅压电致动器大小，以0.1～0.5℃/min加热至450～550℃排胶，保温2～4小时，然后以3～8℃/min速率升温至1100～1150℃烧结，保温2～4小时后，即得到烧结的多层无铅压电致动器；S8.将S7中的多层无铅压电致动器侧面被Ag外电极，随后进行测试、筛选和封装，即得大应变多层无铅压电致动器。...
【技术特征摘要】
1.一种大应变多层无铅压电致动器及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将(I)至(V)任一种化学式中包含的各金属的氧化物或盐按其式中的化学计量比配料混合，球磨，烘干，预压，预烧，再球磨，烘干，过筛，得到无铅压电陶瓷粉料，(I)至(V)代表的化学式如下：(1-x1-y1)Bi0.5Na0.5TiO3-x1BaTiO3-y1AgNbO3 (Ⅰ)(1-x1-y1)Bi0.5Na0.5TiO3-x1BaTiO3-y1Na0.5K0.5NbO3 (Ⅱ)(1-x2-y2)Bi0.5Na0.5TiO3-x2Bi0.5K0.5TiO3-y2SrTiO3 (Ⅲ)(1-x2-y2)Bi0.5Na0.5TiO3-x2Bi0.5K0.5TiO3-y2BiAlO3 (Ⅳ)(1-x2-y2)Bi0.5Na0.5TiO3-x2Bi0.5K0.5TiO3-y2(Ba0.8Ca0.2)ZrO3 (V)其中，0.05≤x1≤0.07，0.01≤y1≤0.03；0.16≤x2≤0.22，0.01≤y2≤0.03；S2.将由有机溶剂、增塑剂、粘合剂及分散剂组成的有机混合物与S1中的无铅压陶瓷粉料等质量混合，充分球磨得陶瓷浆料，其中有机溶剂、增塑剂、粘合剂及分散剂的质量比为(22～28)：(2～6)：(2～6)：(3～5)；S3.在S2中的陶瓷浆料中加入片状模板粉体，其中所述片状模板粉体与所述陶瓷浆料中的无铅压电陶瓷粉料的质量比为(5～15)：(85～95)，充分球磨，制得流延浆料；S4.使用流延机将S3中的流延浆料流延成陶瓷生坯膜带，刮刀高度设置为100～400μm，自然干燥后，横向切割成陶瓷生坯膜带片段；S5.在S4中的陶瓷生坯膜带...
【专利技术属性】
技术研发人员：张海波，张建兵，简卫，
申请(专利权)人：武汉华思创新科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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