鋯鈦酸鉛( PZT )在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用

鋯鈦酸鉛(PZT)在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用1前言智能材料包括感知材料和驅(qū)動(dòng)材料。感知材料是一類(lèi)對(duì)外界或內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、輻射能和化學(xué)量等參量具有感知功能的材料,用它們可以制成各種傳感器件;驅(qū)動(dòng)材料則是能對(duì)環(huán)境條件或內(nèi)部狀態(tài)變化作出響應(yīng)并執(zhí)行動(dòng)作的材料,用它們可以制成各種驅(qū)動(dòng)器件。智能器件是由智能材料所制成的、具備傳感驅(qū)動(dòng)功能的執(zhí)行器。智能結(jié)構(gòu)則是由材料和器件所構(gòu)成的,集傳感、信號(hào)處理、控制和驅(qū)動(dòng)于一體的材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)體系,它能感知環(huán)境或內(nèi)部參量,進(jìn)行信息處理,發(fā)出指令,執(zhí)行并完成動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)自診斷、自修復(fù)和自適應(yīng)等多種功能。智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用十分廣泛,不僅在國(guó)防尖端武器如飛機(jī)、軍艦等,而且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域,特別是高技術(shù)領(lǐng)域具有重大戰(zhàn)略意義。當(dāng)前完成智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的主要材料有形狀記憶材料、壓電材料(含壓電陶瓷、壓電聚合物)、電致伸縮材料、光纖和電流變體、磁流變體等。利用這些機(jī)敏材料的功能,加上巧妙精細(xì)的復(fù)合設(shè)計(jì)和制作便得到驅(qū)動(dòng)、傳感和控制于一體的材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。壓電材料是智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)中的一類(lèi)主要材料。具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)晶體在機(jī)械應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生極化并形成表面電荷,若將這類(lèi)電介質(zhì)晶體置于電場(chǎng)中,電場(chǎng)的作用將引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而導(dǎo)致形變。由于壓電材料具有上述特性,故可實(shí)現(xiàn)傳感元件與動(dòng)作元件的統(tǒng)一。壓電材料可廣泛地應(yīng)用于智能材料與結(jié)構(gòu)中,特別是可以有效地用于材料損傷自診斷、自適應(yīng)、減振與噪聲控制等方面。壓電材料發(fā)展的類(lèi)型主要有單晶、多晶、微晶玻璃、有機(jī)高分子、復(fù)合材料等。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著壓電陶瓷材料從二元系向三元、多元系的開(kāi)發(fā)研究高潮的結(jié)束，壓電材料的研究一度進(jìn)展緩慢。隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，應(yīng)用需求牽引下的開(kāi)發(fā)探索給予了壓電材料研究的新動(dòng)力，加上科技工作者在基礎(chǔ)性研究和生產(chǎn)工藝改進(jìn)上的不懈努力，近十幾年來(lái)，新型的壓電材料不斷涌現(xiàn)出，使得壓電材料研究的面貌煥然一新。2壓電材料概述2.1壓電效應(yīng)壓電晶體中,正負(fù)離子排列的不對(duì)稱(chēng)和晶胞正負(fù)電荷重心的不重合形成電偶極矩,這些電偶極矩在某些區(qū)域內(nèi)方向一致成為電疇結(jié)構(gòu),如圖1所示。電疇在晶體上雜亂分布,其極化效應(yīng)相互抵消,材料內(nèi)極化強(qiáng)度為零,被直流電場(chǎng)極化后的電疇極化方向趨于同一方向,如圖2(a)所示,當(dāng)外力作用到壓電材料上引起變形,材料內(nèi)部正負(fù)束縛電荷的間距變小,極化強(qiáng)度也變小,原來(lái)吸附在電極上的自由電荷有部分被釋放,出現(xiàn)放電現(xiàn)象,稱(chēng)為正壓電效應(yīng);如圖2(b)所示,在壓電材料兩極加一定強(qiáng)度電場(chǎng),片內(nèi)的正負(fù)電荷間距變大,極化強(qiáng)度也變大,電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象,電荷在電路中移動(dòng)可對(duì)外輸出機(jī)械能,稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。壓電材料的主要功能是能夠把機(jī)能轉(zhuǎn)變成電能,反之亦然。表征這一功能的主要參數(shù)有:壓電系數(shù)d、電壓系數(shù)g和機(jī)電耦合系數(shù)k。壓電系數(shù)把極化強(qiáng)度P、應(yīng)力R和應(yīng)變S以及外加電場(chǎng)E,通過(guò)下式連接起來(lái)P=dR(1)S=dE(2)(1)和(2)式中的d在數(shù)值上相等。它描述作為驅(qū)動(dòng)材料運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)的能力。例如,高功率聲納希望材料的d值要高。電壓系數(shù)g描述壓電材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的電場(chǎng),通過(guò)介電系數(shù)ε把d和g連系起來(lái)g=d/ε(3)g所描述的是作為傳感器材料在低應(yīng)力作用下可產(chǎn)生高的電壓信號(hào)的能力。機(jī)電耦合系數(shù)k定義為,k2表示電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或者機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆謹(jǐn)?shù)。因?yàn)檗D(zhuǎn)變從來(lái)是不完全的,故k和k2總是小于1。2.2壓電材料類(lèi)別壓電材料按晶體結(jié)構(gòu)分有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、鎢青銅結(jié)構(gòu)、鉍層狀結(jié)構(gòu)等(如圖3所示);按用途或功能分有發(fā)射型和接收型壓電材料;按性狀分有粉體、纖維、薄膜及塊體材料;按性質(zhì)和組成組元分為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物和復(fù)合材料。圖3壓電材料的晶體結(jié)構(gòu)2.3壓電材料的制備方法針對(duì)不同的壓電材料,要根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)合、特性和成本來(lái)選擇合適的制備方法,其制備方法按制備時(shí)出現(xiàn)的物相分為固相法、液相法和氣相法。2.3.1固相法采用傳統(tǒng)固相法制備PZT時(shí),燒結(jié)溫度高于1200度會(huì)引起PbO的揮發(fā),難以控制化學(xué)計(jì)量比,導(dǎo)致材料的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能難以控制,適用于原料便宜、工藝簡(jiǎn)單及對(duì)壓電材料性能要求不高的場(chǎng)合。2.3.2液相法液相法制備壓電材料是目前最常用的方法,包括共沉淀法、水熱合成法、溶膠-凝膠法、醇鹽水解法等。共沉淀法可實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié),能得到比理論密度更高密度的壓電材料。共沉淀法采用700度程序升溫焙燒法制得粒徑為60nm的BaTiO3粉體;美國(guó)華盛頓大學(xué)的科研人員用共沉淀法結(jié)合冷凍干燥工藝,合成了納米級(jí)PZT粉體,以800度進(jìn)行燒結(jié)獲得理論密度98%的材料。有研究以Nb2O5和Ta2O5為前驅(qū)反應(yīng)物,采用水熱法和溶劑熱法兩種合成工藝制備了KTaNbO3陶瓷粉體,燒結(jié)后的壓電陶瓷耦合系數(shù)達(dá)到0.5,壓電系數(shù)d33在150~450pC/N之間,但水熱法需要較高的溫度和壓力,設(shè)備投資大,限制了該法的應(yīng)用。溶膠-凝膠法是液相法中最常用的一種方法。用溶膠-凝膠結(jié)合各種成型、燒結(jié)工藝,可以制備出高性能的薄膜。2.3.3氣相法氣相法適合制備納米級(jí)壓電薄膜,主要有物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積。其中,濺射法是最常用的方法。對(duì)靶濺射法在SiO2/Si基板上沉積Pt/Ti底電極,用射頻(RF)濺射法制備出厚度約800nm的PZT薄膜?；瘜W(xué)氣相沉積可以精確地控制反應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)組成,摻雜方便,但難以獲得合適的氣源材料,不適合低成本、大量制備薄膜,實(shí)際中采用較少。3PZT壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的原理、結(jié)構(gòu)及特性壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng),在壓電陶瓷的適當(dāng)方向加上電場(chǎng),而產(chǎn)生相應(yīng)的位移和力的器件。如圖4所示,當(dāng)在已極化的壓電陶瓷上施加電壓時(shí),則沿極化方向伸長(zhǎng)（縱效應(yīng)）,沿垂直極化方向縮短（橫效應(yīng)）。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器有利用壓電縱效應(yīng)的疊層型和利用壓電橫效應(yīng)的雙膜片彎曲型。44由于壓電驅(qū)動(dòng)器是用于位移控制、動(dòng)力源的器件,所用材料必須能在較小的電場(chǎng)下產(chǎn)生大的應(yīng)變和應(yīng)力,而且電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率要高,所以最重要的是采用壓電常數(shù)d大的軟性材料,這樣可加大的電場(chǎng)(約1MV/m),產(chǎn)生大的應(yīng)變(△l/l約10-2)、應(yīng)力(約9.8MPa)。另一方面,因應(yīng)變量大,對(duì)絕緣強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度的要求也高。目前,壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器所用材料,主要是鋯鈦酸鉛(PZT)為基的壓電陶瓷材料。疊層型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器生成壓電陶瓷瓷驅(qū)動(dòng)器雖有上述優(yōu)良性能,但因驅(qū)動(dòng)電壓高達(dá)1kV以上，設(shè)置控制回路比較困難,若多片并聯(lián)疊層,如圖5所示，內(nèi)部電極間距離能短到10μm左右,則驅(qū)動(dòng)電壓可降到100V以下,對(duì)于利用壓電縱效應(yīng)產(chǎn)生的形變來(lái)說(shuō),一片陶瓷有0.3μm左右的變形,多層疊層可得幾十微米變形。圖5疊層型壓電驅(qū)動(dòng)器3.2雙膜片型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器疊層型在響應(yīng)特性和產(chǎn)生力方面優(yōu)越,其缺點(diǎn)是位移量小。因此,要得到幾百微米大的位移量,就要用雙膜片彎曲型。雙膜片彎曲型是將二片壓電陶瓷貼合在一起,一片伸長(zhǎng)時(shí),另一片縮短,產(chǎn)生的形變與所加電場(chǎng)成正比,這種雙膜片彎曲型又分串聯(lián)和并聯(lián)兩種型式（圖6所示）,二者主要特點(diǎn)比較列于表1。由表可知,并聯(lián)壓電雙膜片彎曲型對(duì)同一電壓位移量大。圖6雙膜片彎曲型表1壓電雙膜片型特點(diǎn)比較3.3壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器性能優(yōu)越性1)采用厚膜疊層技術(shù),不用粘結(jié)劑,獲得了一體燒結(jié)的固體元件。2)通過(guò)引入IC工藝和絕緣技術(shù),內(nèi)部電極與元件斷面一致,應(yīng)力分布均勻,從而提高了破壞極限。3)壓電陶瓷層的薄膜化,電極間距可縮到10μm左右,能實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)。4)HIP技術(shù)(等靜熱壓燒結(jié)技術(shù))的引入,可獲得高密度,機(jī)械強(qiáng)度比普通燒結(jié)體提高約30%。5)電壓驅(qū)動(dòng),不會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲。6)位移的經(jīng)時(shí)變化、漂移小,溫度穩(wěn)定性好。7)可大量生產(chǎn),成本低。4壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用范圍很廣,現(xiàn)將其主要應(yīng)用范圍與應(yīng)用實(shí)例列于表2,這些應(yīng)用大致可分為以下四類(lèi)。表2疊層壓電驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用4.1在機(jī)械方面的應(yīng)用目前已獲得實(shí)用的有沖擊式點(diǎn)陣打印機(jī)的打印頭,它是由疊層壓電驅(qū)動(dòng)器與位移放大機(jī)構(gòu)組合而成的。這種打印機(jī)頭,電源電壓90V,位移放大率約30倍,端位移約為600μm，可以得到100字/s以上的高速印字性能,同時(shí)具有低功耗、低發(fā)熱等特點(diǎn)。另外還用于半導(dǎo)體制造和超精密切削加工等方面的超精密定位裝置,其位移量多在亞微米范圍,考慮到滯后現(xiàn)象和直線(xiàn)性,必須注意閉合回線(xiàn)控制。4.2在動(dòng)力方面的應(yīng)用在壓電風(fēng)扇、壓電閥、壓電泵和超聲馬達(dá)等動(dòng)力裝置中的應(yīng)用,主要是利用壓電驅(qū)動(dòng)器的耗電低和可精密控制等特點(diǎn)。這些器件位移量必須是幾百微米,多利用雙膜片彎曲型,其中作流量控制用的壓電閥已接近實(shí)用。4.3在光學(xué)方面的應(yīng)用目前,正廣泛開(kāi)展壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器在光通信系統(tǒng)等新領(lǐng)域中的應(yīng)用研究,如激