專利名稱：用于智能結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金增強(qiáng)型壓電驅(qū)動(dòng)器及制作工藝步驟的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有高驅(qū)動(dòng)效率，大承載能力的高性能壓電驅(qū)動(dòng)器，可以用于智能結(jié)構(gòu)或其它相關(guān)領(lǐng)域的作動(dòng)元件。
背景技術(shù)：
智能材料與結(jié)構(gòu)的研究于80年代中期起源于美國，該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用意味著工程結(jié)構(gòu)功能的增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)使用效率的提高、結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化及結(jié)構(gòu)維護(hù)成本的降低。其概念一經(jīng)出現(xiàn)，就引起世界主要發(fā)達(dá)國家的極大重視，紛紛將其列為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。智能材料與結(jié)構(gòu)在航空航天、艦船武器等軍事領(lǐng)域和機(jī)械結(jié)構(gòu)、土木工程等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已得到初步應(yīng)用。
智能結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)在于其智能化，即首先通過傳感系統(tǒng)識(shí)別外界參數(shù)，而后經(jīng)過控制系統(tǒng)的分析和判斷，最后由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作出相應(yīng)的動(dòng)作，從而改變智能結(jié)構(gòu)的形狀、剛度、位置、固有頻率、阻尼等機(jī)械特性。顯然，驅(qū)動(dòng)材料及其元件在智能結(jié)構(gòu)中占著舉足輕重的作用。在一定程度上，驅(qū)動(dòng)元件性能的高低直接決定了智能結(jié)構(gòu)智能的高低。而且，目前傳感技術(shù)和控制技術(shù)相對(duì)成熟，因此，驅(qū)動(dòng)元件的研究已成為制約智能結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，開發(fā)和研究新型的綜合性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)材料和元件是當(dāng)前智能結(jié)構(gòu)發(fā)展中的當(dāng)務(wù)之急。
壓電材料由于響應(yīng)速度快，作用力大，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為智能材料結(jié)構(gòu)中廣泛使用的驅(qū)動(dòng)材料。但壓電驅(qū)動(dòng)元件最大的缺點(diǎn)在于極限應(yīng)變太小(僅有1000με左右)，常常難以滿足結(jié)構(gòu)大位移驅(qū)動(dòng)的實(shí)際要求，有必要研究提高其驅(qū)動(dòng)能力的方法。目前，提高驅(qū)動(dòng)材料及其元件的驅(qū)動(dòng)特性主要有兩種途徑一是提高材料自身的性能，即各類壓電常量、電致伸縮系數(shù)等；二是改進(jìn)結(jié)構(gòu)，如改進(jìn)放大機(jī)構(gòu)等。
就提高壓電材料性能而言，可以對(duì)現(xiàn)有的壓電材料進(jìn)行改性研究，改善其工作性能，包括溫度穩(wěn)定性，經(jīng)時(shí)穩(wěn)定性等；可以研制不同連通方式的有機(jī)-無機(jī)的壓電復(fù)合材料；可以大力發(fā)展壓電薄膜材料，使其朝微型化的方向發(fā)展；可以研制特大應(yīng)變的單晶鐵電材料。目前，在這幾個(gè)方面都獲得了一定的研究進(jìn)展。尤其是1997年美國賓西法尼亞大學(xué)研制出了被稱之為壓電陶瓷“神童”的、具有弛豫性的鐵電單晶，在三方晶向<001>方向上應(yīng)變甚至高達(dá)1.7％，這些弛豫型壓電單晶體的應(yīng)變比普通的壓電陶瓷的應(yīng)變有了一個(gè)數(shù)量級(jí)的提高。但這些壓電材料性能方面的研究主要還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)用化還有一段距離。
此外，就驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)而言，各種新型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)層出不窮，如雙壓電晶片式、多層壓電晶片式、獨(dú)石壓電晶片式等等?，F(xiàn)在使用最多的是線性多層式驅(qū)動(dòng)器和雙片式彎曲驅(qū)動(dòng)元件，它們都有較高的位移和一定的推動(dòng)力。這方面的研究在前二十年是個(gè)熱點(diǎn)，也獲得了一定的成果。如八十年代末，英國摩根公司開發(fā)出了d33可以達(dá)到850PC/N的高性能壓電驅(qū)動(dòng)器；1991年美國賓夕法尼亞大學(xué)材料系制造了“Moonie”型黃銅-PZT驅(qū)動(dòng)元件，其d33可以達(dá)到2500PC/N，是常規(guī)PZT的4～5倍；九十年代初，日本NEC公司成功開發(fā)了類獨(dú)石電容結(jié)構(gòu)的層疊元件，具有體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低、位移大等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)方面，北京航空航天大學(xué)和南京航空航天大學(xué)取得了一定的研究成果。但這類驅(qū)動(dòng)器有著它們不可克服的弊病，因?yàn)樗鼈兌紝儆跈C(jī)械放大機(jī)制的應(yīng)用，在獲得較大應(yīng)變的同時(shí)，也降低了驅(qū)動(dòng)力，即以犧牲驅(qū)動(dòng)力為代價(jià)獲得較大的位移。這在很多的實(shí)際使用中是不可取的。
近年來，一種全新的預(yù)置應(yīng)力式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了。RAINBOW驅(qū)動(dòng)元件(ReducedAnd Internally Biased Oxide Wafer)即屬于其中性能較好的一種。RAINBOW驅(qū)動(dòng)器由還原層和未還原層兩層組成，并有獨(dú)特的拱形結(jié)構(gòu)。它在電場(chǎng)作用下能產(chǎn)生比常規(guī)壓電、鐵電驅(qū)動(dòng)器大一個(gè)數(shù)量級(jí)的軸向位移。其中，真正起驅(qū)動(dòng)作用的是RAINOBW元件的未還原層，驅(qū)動(dòng)方式一般是壓電效應(yīng)和反鐵電-鐵電相變，而還原層經(jīng)過高溫還原后已失去了基體材料原先的晶體結(jié)構(gòu)，沒有驅(qū)動(dòng)功能，但它起了對(duì)元件預(yù)制應(yīng)力，提高驅(qū)動(dòng)效率的作用，因此必不可少，同時(shí)，它也是RAINBOW結(jié)構(gòu)最大的特征。由于預(yù)制應(yīng)力的存在，RAINBOW元件的承載能力有很大的提高，而且，由于還原層與未還原層之間是化學(xué)結(jié)合，從而克服了其它預(yù)置應(yīng)力式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)內(nèi)粘接層容易疲勞脫落的毛病?？梢赃@樣說，RAINBOW元件在產(chǎn)生大的應(yīng)變的同時(shí)，還可承載較大的應(yīng)力，而且工作穩(wěn)定，使用時(shí)間長。這些優(yōu)點(diǎn)是其他各類驅(qū)動(dòng)器所不能比擬的。其制備方法是將普通的壓電或鐵電材料放在石墨襯底上，并在高溫下發(fā)生還原反應(yīng)，隨后在室溫下進(jìn)行快速冷卻，由于還原層與未還原層之間的膨脹系數(shù)存在差別，冷卻后形成了具有內(nèi)部預(yù)應(yīng)力的拱形結(jié)構(gòu)。由于RAINBOW元件從出現(xiàn)到現(xiàn)在，不過幾年的時(shí)間，因而，總的文獻(xiàn)報(bào)道不多。目前，它的研究主要集中在美國。例如美國克萊門森(Clemson)大學(xué)陶瓷工程系研究了基于不同PSZT材料配方的RAINBOW元件，結(jié)果表明，它在電場(chǎng)作用下最大軸向位移可達(dá)到100～273μm，約為普通壓電驅(qū)動(dòng)器的200倍；美國的NASA蘭利研究中心則制造了基于RAINBOW結(jié)構(gòu)的堆棧，據(jù)報(bào)道，它的最大驅(qū)動(dòng)位移和驅(qū)動(dòng)力分別達(dá)到了10mm和250g[56]，已接近實(shí)用化程度；Dausch等人研究了RAINBOW元件內(nèi)的電疇運(yùn)動(dòng)，通過實(shí)際的測(cè)試總結(jié)了90°電疇重新排布與外加電場(chǎng)的關(guān)系；M.W.Hooker等人研究了RAINOBOW元件的矯頑場(chǎng)與還原層厚度之間的關(guān)系，給出了一種測(cè)試還原層厚度的非破壞性方法。國內(nèi)在這方面的研究較為薄弱，基本處于起步階段，只有相關(guān)的一些介紹性文章。
綜上所述，利用RAINBOW結(jié)構(gòu)有可能制備出大驅(qū)動(dòng)力大驅(qū)動(dòng)位移的壓電驅(qū)動(dòng)器。但很多很多方面都需要進(jìn)一步地研究。例如缺乏模型的建立和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、還原反應(yīng)機(jī)理還不清楚、微觀結(jié)構(gòu)以及宏觀特性研究不夠，綜合性能有待進(jìn)一步研究等。另外，如果能夠?qū)AINBOW元件與形狀記憶合金(SMA)按一定方法集成，使兩者的驅(qū)動(dòng)能力疊加，則有可能制備出驅(qū)動(dòng)效率更高的驅(qū)動(dòng)元件，但目前國內(nèi)外并未發(fā)現(xiàn)這方面的相關(guān)研究。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于針對(duì)智能結(jié)構(gòu)對(duì)高性能壓電驅(qū)動(dòng)器的需求，提出了將形狀記憶合金膜和RAINBOW結(jié)構(gòu)壓電陶瓷進(jìn)行集成的思路，從而研制出了高性能的壓電驅(qū)動(dòng)器。為智能結(jié)構(gòu)提供了一種響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)位移、驅(qū)動(dòng)力大的驅(qū)動(dòng)元件。它不僅保留了RAINBOW結(jié)構(gòu)大驅(qū)動(dòng)效率的特點(diǎn)，而且還引入了形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)效果，并有效改善了原先RAINBOW結(jié)構(gòu)中還原層較薄弱的缺點(diǎn)，大大提高了驅(qū)動(dòng)器的承載能力。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的的技術(shù)要求包括1)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，即根據(jù)力學(xué)分析的結(jié)果確定壓電材料還原層和未還原層的厚度比率；2)合適的基體材料，即選取成分合適的壓電陶瓷和形狀記憶合金以提高加工工藝性；3)壓電陶瓷的高溫還原，即制定合適的還原工藝參數(shù)獲得驅(qū)動(dòng)器的拱形結(jié)構(gòu)；4)與形狀記憶合金的集成，即在壓電陶瓷的還原層通過磁控濺射的方法沉積形狀記憶合金膜；5)驅(qū)動(dòng)器的位移測(cè)試和標(biāo)定。
為達(dá)到技術(shù)要求，本發(fā)明的具體構(gòu)成是，壓電陶瓷通過高溫還原產(chǎn)生分層的拱形結(jié)構(gòu)，拱形的下層為壓電陶瓷的還原層，上層是未還原的壓電層，并且在壓電陶瓷的還原層上鍍有形狀記憶合金膜。其中壓電陶瓷的還原層占總厚度的1/5～2/5，形狀記憶合金膜為3～6μm。
本發(fā)明用于智能結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金增強(qiáng)型壓電驅(qū)動(dòng)器的制作工藝步驟是1.采用有限元方法分析驅(qū)動(dòng)器各層的應(yīng)力狀態(tài)；2.根據(jù)力學(xué)分析確定形狀記憶合金膜、還原層、未還原層各自的厚度；3.將壓電陶瓷基體材料在800℃～1000℃下單面還原40～60分鐘；4.達(dá)到還原時(shí)間后將壓電陶瓷從高溫中取出在室溫下冷卻；5.將已完全冷卻且已具有拱形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷進(jìn)行超聲波清洗；6.制作鍍模所需的工裝夾具；7.用磁控濺射方法在還原層表明沉積5μm形狀記憶合金(TiNi)膜；8.將試樣在高真空度下對(duì)形狀記憶合金膜進(jìn)行晶化退火；9.在驅(qū)動(dòng)器兩個(gè)端面凃覆導(dǎo)電膠作為電極，并極化；10.測(cè)試其驅(qū)動(dòng)位移和承載能力，并作標(biāo)定；本發(fā)明的有益效果是1)通過高溫還原對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行預(yù)制應(yīng)力，從而提高壓電元件的壓電效應(yīng)，獲得了超大的電致位移；2)通過與形狀記憶合金薄膜的集成，消除還原層所含的微觀缺陷，大大提高了驅(qū)動(dòng)器的承載能力；3)形狀記憶合金的引入有利于提高壓電層在整個(gè)結(jié)構(gòu)中所占的比率；4)形狀記憶合金具有熱驅(qū)動(dòng)能力，需要時(shí)也可作為一種驅(qū)動(dòng)機(jī)制。綜上所述，與傳統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)器相比，在元件尺寸相同的情況下，本發(fā)明在驅(qū)動(dòng)位移和承載能力上均有兩倍左右的提高，并可適當(dāng)降低驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)而改善其使用的安全性。利用本發(fā)明可充分滿足智能結(jié)構(gòu)對(duì)高性能壓電驅(qū)動(dòng)器的需求，實(shí)現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)位移大以及承載能力強(qiáng)的作動(dòng)效果，大大推動(dòng)智能結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用。此外，本發(fā)明也可用于其它相關(guān)領(lǐng)域。


圖1是形狀記憶合金增強(qiáng)型壓電驅(qū)動(dòng)器示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱1.形狀記憶合金膜(TiNi)，2.壓電陶瓷的還原層，3.壓電陶瓷的壓電層(未還原層)。
圖2是壓電陶瓷的還原示意圖。
具體實(shí)施例方式由圖1可知，本發(fā)明—用于智能結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金增強(qiáng)型壓電驅(qū)動(dòng)器是一種具有拱形結(jié)構(gòu)的分層式驅(qū)動(dòng)元件，由形狀記憶合金膜(1)、壓電陶瓷的還原層(2)和壓電層(3)組成。還原層主要起對(duì)壓電層預(yù)制應(yīng)力的作用，而壓電層和形狀記憶合金起驅(qū)動(dòng)作用。驅(qū)動(dòng)器制作過程是首先根據(jù)形狀記憶合金膜、壓電陶瓷的還原層以及壓電層之間熱膨脹系數(shù)的不同，采用有限元方法分析高溫還原后各層應(yīng)力狀態(tài)，并根據(jù)分析結(jié)果確定各自的厚度。然后將壓電陶瓷基體材料(PZT5，尺寸，Φ20×0.5)在1000℃高溫下進(jìn)行單面還原，隨后取出在空氣中迅速冷卻，待形成所需的拱形結(jié)構(gòu)后清洗并拋光表面。將試樣放入專用的工裝夾具進(jìn)行磁控濺射，在還原層表明沉積形狀記憶合金膜，并經(jīng)過真空晶化退火后取出。最后在兩個(gè)端面涂覆導(dǎo)電膠作為電極。其制備過程中最重要的兩個(gè)階段如下1、壓電陶瓷的高溫還原如圖2所示，將尺寸符合要求的PZT5壓電陶瓷直接放于還原劑-石墨上，再將氧化鋯放在壓電陶瓷上以防止陶瓷片的上部發(fā)生還原反應(yīng)。最后將陶瓷片、石墨、氧化鋯放入高溫?zé)Y(jié)爐中，800℃～1000℃下保溫40～60分鐘后取出空冷。由于壓電陶瓷片的下部與石墨接觸發(fā)生還原反應(yīng)，生成還原層，其熱膨脹系數(shù)大大增加，而其上部由于氧化鋯的保護(hù)作用未發(fā)生還原反應(yīng)，熱膨脹系數(shù)不變。因此，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拱形。實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電陶瓷片的預(yù)制應(yīng)力作用。根據(jù)有限元分析的結(jié)果，還原層占總厚度的1/5～2/5時(shí)預(yù)制應(yīng)力效果最好。
2、與形狀記憶合金膜的集成將還原后的壓電片進(jìn)行清洗拋光，去除還原后留在還原層表面的氧化物顆粒。將清潔試樣采用專用夾具放入磁控濺射鍍膜機(jī)，在還原層表明沉積TiNi膜，厚度為3～6μm。由于膜層的氣相沉積可填補(bǔ)還原層表明的微觀缺陷，因而大大提高了內(nèi)驅(qū)動(dòng)器的正向承載能力和強(qiáng)度；而且由于TiNi膜的熱膨脹系數(shù)比壓電層更高，因此，沉積膜層帶來的應(yīng)力改變對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)器是有利的。
權(quán)利要求
1.一種用于智能結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金增強(qiáng)型壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于它是由壓電陶瓷的壓電層(3)、還原層(2)以及在壓電陶瓷的還原層(2)表面鍍的形狀記憶合金膜(1)組成的具有拱形結(jié)構(gòu)的分層式驅(qū)動(dòng)元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金增強(qiáng)型壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于形狀記憶合金膜厚為3～6μm，壓電陶瓷的還原層占總厚度的1/5～2/5。
3.一種用于智能結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金增強(qiáng)型壓電驅(qū)動(dòng)器的制作工藝步驟，其特征在于1)采用有限元方法分析驅(qū)動(dòng)器各層的應(yīng)力狀態(tài)；2)根據(jù)力學(xué)分析確定形狀記憶合金膜、還原層、未還原層各自的厚度；3)將壓電陶瓷基體材料在800℃～1000℃下單面還原40～60分鐘；4)達(dá)到還原時(shí)間后將壓電陶瓷從高溫中取出在室溫下冷卻；5)將已完全冷卻且已具有拱形結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷進(jìn)行超聲波清洗；6)制作鍍模所需的工裝夾具；7)用磁控濺射方法在還原層表明沉積5μm形狀記憶合金(TiNi)膜；8)將試樣在高真空度下對(duì)形狀記憶合金膜進(jìn)行晶化退火；9)在驅(qū)動(dòng)器兩個(gè)端面涂覆導(dǎo)電膠作為電極，并極化；10)測(cè)試其驅(qū)動(dòng)位移和承載能力，并作標(biāo)定。
全文摘要
一種涉及用于智能結(jié)構(gòu)的形狀記憶合金增強(qiáng)型壓電驅(qū)動(dòng)器及制作工藝步驟。驅(qū)動(dòng)器由形狀記憶合金膜，壓電陶瓷的還原層、壓電層構(gòu)成，制作工藝是將壓電陶瓷基體材料在800℃～1000℃高溫下進(jìn)行單面還原，隨后取出在空氣中迅速冷卻，待形成所需的拱形結(jié)構(gòu)后清洗并拋光表面。將試樣放入專用的工裝夾具進(jìn)行磁控濺射，在還原層表明沉積形狀記憶合金膜，并經(jīng)過真空晶化退火后取出。最后在兩個(gè)端面涂覆導(dǎo)電膠作為電極。本發(fā)明具有特殊的拱形結(jié)構(gòu)特征，并有響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)位移大以及承載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，作為驅(qū)動(dòng)元件具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L41/083GK1632963SQ200410065659
公開日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者沈星, 馮偉, 劉永剛 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)