具有陶瓷绝缘层的机电执行器及用于制造其的方法与流程

1.本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的机电执行器，其包括由具有机电特性的陶瓷基础材料和电极构成的堆叠组件以及用于使执行器在潮湿环境中使用的陶瓷绝缘件。这样的执行器也称为多层执行器或线性执行器。本发明的另一方面涉及一种用于制造具有陶瓷绝缘层的执行器的方法以及一种用于操控这样的执行器的方法。


背景技术：

2.机电执行器的使用寿命主要是由于使用在静态或准静态的应用中而受到由空气湿度造成的降解机理的限制。特别是水蒸气分子扩散或侵入到堆叠组件中造成执行器的功能部分或完全丧失，因为这导致执行器的电气和弹性性能退化。通过执行器的绝缘层/特别是具有陶瓷材料或由陶瓷材料构成的绝缘层能够实现提高的使用寿命。由de 100 21 919 c2公知了一种这样的具有陶瓷绝缘层的机电或者压电执行器。与具有聚合物绝缘层的执行器相比，陶瓷绝缘的执行器在利用直流电压(dc)进行操控的情况中可以具有高出两到三个数量级的平均使用寿命(mean time to failure＝mttf)。
3.由ep 2 530 756 a1同样公知了一种压电执行器，该执行器在其侧表面上设置有无机涂层/例如由锆钛酸铅(pzt)构成。us 7,065,846 b2也公开了一种具有陶瓷绝缘层的压电陶瓷执行器。
4.然而这样的陶瓷绝缘层具有物理限制。迄今为止，陶瓷涂层的执行器在利用2kv-dc/mm的电场强度进行操控的情况中典型地显示出电感应引起的、约为该执行器的有效长度的1.0
‰
至1.1
‰
的压电膨胀。如例如通过机电材料系统锆钛酸铅(pzt)的优化能够实现的那样，将电感应引起的压电膨胀提高到有效长度的例如＞1.25
‰
导致陶瓷绝缘层中裂纹不可控地形成和增长，这对执行器的使用寿命产生不利影响。通过线性执行器的设计，电极不延伸到绝缘层中，这是因为电极恰恰需要防潮。所以陶瓷绝缘层可能只由杂散电场激发，从而自然实现陶瓷绝缘层的较低的压电感应引起的膨胀、直到完全没有膨胀。出于这个原因，在执行器的操控或者膨胀期间产生机械拉应力，该机械拉应力由于连续负载或者交变负载导致形成裂纹，并且可能引起执行器的失效或者功能丧失或者缩短其在潮湿环境中的使用寿命。
5.wo 2017/032868 a1公开了一种压电多层执行器，其具有一个通过气流分离(参见第4页第14至16行)在执行器表面上产生的保护层，该保护层由粉碎的和例如通过退火相互结合的陶瓷颗粒(参见第4页第28行至第5页第2行)构成。这层保护层应该是很紧密的和无气孔的并且不含如通过烧结过程产生的“晶界”，使得该保护层据称即使厚度很小也在执行器运行中保持没有裂纹(参见第5页第5至10行)。


技术实现要素：

6.ep 2 667 425 b1公开了一种具有一层无机涂层的压电元件，金属微粒分散在所述无机涂层中。由于金属微粒之故，涂层中存在具有传导路径的危险，该传导路径特别是可
能形成在缺陷处，由此可能导致失效机制的加速。本发明的目的是：提供一种机电执行器，该执行器通过如下方式使得在机电膨胀增大的情况下也具有延长的使用寿命，即，防止烧结的陶瓷绝缘层中形成裂纹。
7.本发明的这个目的通过根据权利要求1所述的机电执行器以及根据权利要求10所述的用于制造机电执行器的方法和根据权利要求14所述的用于操控机电执行器的方法得以实现。在从属权利要求中要求保护本发明的有利的改进方案。
8.根据本发明的机电执行器包括由具有机电特性的陶瓷基础材料和电极构成的堆叠组件以及用于使执行器在潮湿环境中使用的陶瓷绝缘层，其中，陶瓷绝缘层的组织具有比陶瓷基础材料的组织更小的平均粒度。通过特定选择陶瓷绝缘层(该陶瓷绝缘层的组织具有比陶瓷基础材料的组织更小的平均粒度)，提高了陶瓷绝缘层的强度(屈服极限，见霍尔-佩奇公式)及其抵抗裂纹形成的能力。通过提高这个抵抗能力，即使在机电膨胀较大的情况中也能够实现执行器的延长的使用寿命，由于陶瓷基础材料组织中较大的平均粒度之故能够达到所述较大的机电膨胀，这是因为材料的电感应引起的可用膨胀随着粒度的增大而上升。优选陶瓷基础材料是压电陶瓷基础材料。优选在陶瓷基础材料成形之后例如通过极化来改变或者调节执行器的机电特性。
9.会是有益的是：绝缘层的平均粒度与陶瓷基础材料的平均粒度的比率为3/4或更小、优选1/2或更小、特别优选1/3或更小。原则上，绝缘层的平均粒度越小，绝缘层的强度和抵抗裂纹增长的能力就越高。所述比率在考虑到基础材料与绝缘层之间的机械相互作用的情况下达到有利的结果。
10.此外会是适宜的是：绝缘层的平均粒度为20μm或更小、优选5μm或更小、特别优选1μm或更小。
11.另外能够证实为实用的是：陶瓷基础材料的平均粒度向着绝缘层、优选超出绝缘层减小、优选连续减小。通过在绝缘层与陶瓷基础材料接界的区域中的平均粒度的连续减小，可以避免这个区域中的膨胀突变或者应力突变。
12.能够证实为有益的是：绝缘层由机电材料、优选由压电材料和特别优选由压电陶瓷材料构成。
13.此外会是有益的是：绝缘层对于水蒸气/湿气来说是不可穿过的/不可渗透的。由此防止了水蒸气分子扩散或侵入到堆叠组件中。
14.会是有用的是：绝缘层至少由一个层、优选由两个层或三个层构成，其中，绝缘层的总厚度为500μm或更小、优选100μm或更小、特别优选60μm或更小。通过提供多个层，一个单层中的加工工艺缺陷诸如孔穴或气孔能够被另外的层遮盖，这导致了绝缘的改善。因此通过每个附加层降低了贯通绝缘层整个厚度的缺陷的概率。
15.此外会是有益的是：绝缘层基本上具有与陶瓷基础材料相同的或不同的材料成分。
16.此外会是有益的是：设置有两个用于与堆叠组件中的电极触点接通的外电极，这些外电极设置在执行器的相同的外表面上或两个不同的外表面上，其中，执行器的至少一个无电极的外表面具有陶瓷绝缘层。通过安装外电极和在无电极的外表面上提供陶瓷绝缘层，能够将执行器可靠地绝缘。
17.会是适宜的是：陶瓷基础材料和电极沿着一根堆叠轴线设置，并且堆叠组件具有
两个垂直于堆叠轴线定向的端侧和至少一个在这些端侧之间延伸的侧表面，其中，陶瓷绝缘层在所述至少一个侧表面上从一个端面延伸到另一个端面。在这些侧表面上提供陶瓷绝缘层防止水蒸气分子在电极与陶瓷基础材料之间扩散或侵入。
18.本发明的另一方面涉及一种用于制造机电执行器、特别是根据前述前述实施形式之一的执行器的方法，其包括的步骤有：
19.a：由电极和具有机电特性的陶瓷基础材料构成堆叠组件，
20.b：为所述堆叠组件设置陶瓷绝缘层，使得该绝缘层的组织具有比陶瓷基础材料的组织更小的平均粒度。
21.此外会是有益的是：所述方法包括以下子步骤中的至少一个：
22.a1：由电极和陶瓷基础材料制的膜坯件构成堆叠组件，
23.a2：对堆叠组件进行烧结，从而将陶瓷基础材料转变为固相的陶瓷组织。
24.然而也会是有益的是：所述方法包括以下子步骤中的至少一个：
25.b1：通过涂层、优选利用膜坯件涂层，注射成型，等离子喷涂，浸渍包封、优选在陶瓷浆料中的浸渍包封，喷涂和/或利用溶胶-凝胶法将绝缘层中的至少一个层、多个层或所有层敷设到堆叠组件上，
26.b2：对陶瓷绝缘层和必要情况下对陶瓷基础材料进行烧结，使得陶瓷绝缘层和必要情况下陶瓷基础材料转变为固相的陶瓷组织，
27.b3：通过为陶瓷基础材料和陶瓷绝缘层选择不同的材料和/或通过选择烧结期间的工艺参数来调节绝缘层的平均粒度和必要情况下陶瓷基础材料的平均粒度。
28.另外会是有益的是：所述方法包括以下步骤：
29.c：使陶瓷基础材料极化，并且优选使陶瓷绝缘层极化，以便调节执行器的机电特性。
30.此外会是适宜的是：在步骤a中沿着一根堆叠轴线由电极和陶瓷基础材料构成堆叠组件，使得该堆叠组件具有两个垂直于所述堆叠轴线定向的端侧和至少一个在这些端侧之间延伸的侧表面，并且在步骤b中如下地为堆叠组件设置陶瓷绝缘层，即，该陶瓷绝缘层在所述至少一个侧表面上从一个端面延伸到另一个端面。如上面已经阐述的那样，在这些侧表面上提供陶瓷绝缘层防止水蒸气分子在电极与陶瓷基础材料之间扩散或侵入。
31.本发明的另一方面涉及一种用于操控机电执行器、特别是根据前述实施方式之任一个所述的执行器的方法，该执行器在室温下和优选在至少80％、优选至少85％、优选至少90％和特别优选至少92％的空气湿度的情况下具有至少2kv-dc/mm的电场强度，从而达到是执行器有效长度的1.25
‰
或更多的准静态膨胀和执行器的10000小时或更长的平均使用寿命(mttf)。
32.本发明的另一方面涉及一种用于操控机电执行器、特别是根据前述实施方式之任一个所述的执行器的方法，该执行器在90℃和优选在至少80％、优选至少85％、优选至少90％和特别优选至少92％的空气湿度的情况下具有至少2kv-dc/mm的电场强度，从而达到为执行器有效长度的1.25
‰
或更多的准静态膨胀和执行器的500小时或更长的平均使用寿命(mttf)。
33.术语和定义
34.由陶瓷材料构成的膜坯件
35.通过膜浇注工艺由陶瓷浆料制成的柔性的膜称为由陶瓷材料构成的膜坯件。
36.绝缘层
37.防止湿气欺辱到堆叠执行器中的保护层称为绝缘层。
38.执行器
39.术语执行器用作堆叠执行器、多层执行器、复层执行器(mehrschichtaktor)或线性执行器的同义词。
40.具有机电特性的陶瓷基础材料
41.在施加电压时产生机械(弹性)变形的材料称为具有机电特性的陶瓷基础材料。这种材料的起点可以是陶瓷粉末，该陶瓷粉末被烧结成形。经烧结的陶瓷在其组织中是多晶材料，其微晶具有带偶极的领域，其定向在整个材料中统计学分布。为了调节执行器的机电特性，对偶极进行整流、优选通过极化。
42.极化
43.为了制造大部分机电执行器，在烧结之后通过施加外部直流电场对材料进行极化，就是说，将偶极全部整流。极化由此能够实现对执行器的期望机电特性的调节。
附图说明
44.图1示出了根据本发明的执行器的俯视图以及沿着线a-a和b-b的剖视图。
具体实施方式
45.图1示出了一种机电执行器，其包括由具有机电特性的陶瓷基础材料和电极构成的条形的堆叠组件1，这些电极在执行器的对置的侧表面上被交替地引导。在这两个侧表面中的每个侧表面上都设置有用于与电极2触点接通的外电极3。该外电极3分别与连接导体4连接。执行器的未被外电极覆盖的侧表面设置有陶瓷绝缘层5。
46.这种堆叠组件的基本结构已经由de 100 21 919 c2公知，在此不再赘述。而主要对本发明与该公知的堆叠组件的不同之处进行探讨，下面对该不同之处进行说明。
47.根据本发明，陶瓷绝缘层5的组织具有比陶瓷基础材料的组织更小的平均粒度。由于小的平均粒度之故，在陶瓷绝缘层5的组织中产生小的孔尺寸或者孔隙度，组织中的缺陷尺寸由此下降并且阻止了裂纹的形成或增长。
48.优选地，陶瓷基础材料和电极沿着一根堆叠轴线设置，其中，包括陶瓷基础材料和电极的堆叠组件具有两个垂直于堆叠轴线定向的端侧和至少一个在这些端侧之间延伸的侧表面，并且陶瓷绝缘层在所述至少一个侧表面上从一个端面延伸到另一个端面。如果没有陶瓷绝缘层，那么电极就会在周侧的侧表面上暴露。因此，在这些侧表面上提供陶瓷绝缘层防止水蒸气分子在电极与陶瓷基础材料之间的扩散或侵入。
49.在优选实施方式中，绝缘层的平均粒度与陶瓷基础材料的平均粒度的比率为3/4或更小、优选1/2或更小、特别优选1/3或更小。在此，绝缘层的平均粒度可以为20μm或更小、优选5μm或更小、特别优选1μm或更小。
50.陶瓷基础材料优选是一压电陶瓷材料、诸如锆钛酸铅(pzt)。然而，它此外也可以是电致伸缩的或磁致伸缩的材料。陶瓷绝缘层5同样由pzt或由氧化物陶瓷构成并且优选同样具有压电特性。
51.陶瓷绝缘层5可以由一个单个层构成。然而在优选实施方式中，陶瓷绝缘层5具有多个层、特别是两个层或三个层，用以将一个单个层中由加工工艺导致的缺陷通过另一层覆盖。通过这种方式可以阻止两个绝缘层之间的边界上的裂纹增长。因此，能够使陶瓷绝缘层5成为针对水蒸气分子侵入或扩散到堆叠组件中确实不可渗透的。所述单个层在其成分或其平均粒度方面可以相互不同。一个单个层的厚度在此为该层中的平均粒度的多倍、优选五倍至二十倍。一般而言致力于陶瓷绝缘层的小的总厚度，这是因为薄的绝缘层更少地限制陶瓷基础材料的膨胀。在优选实施方式中，绝缘层的总厚度为500μm或更少、优选100μm或更少、特别优选为60μm或更少。
52.以下对根据本发明的用于制造执行器、优选根据上述实施方式的执行器的方法进行说明。
53.原则上已经由de 100 21 919 c2公知了由具有机电特性的陶瓷基础材料和电极制造堆叠组件，然而为了更好地理解根据本发明的方法再次进行简要概述。
54.陶瓷粉末材料、优选pzt粉末材料是用于制造堆叠组件1的起点，该粉末材料配有粘合剂溶液和溶剂。在进一步的工艺过程中，将由粉末材料和粘合剂溶液构成的陶瓷浆料浇注成由陶瓷基础材料构成的所谓的膜坯件，并且溶剂挥发。然后对柔性的膜坯件进行定尺剪裁并堆叠，其中，在由事先限定数量的膜坯件构成的各两个层之间置入一个电极2。为此，利用丝网印刷法将金属膏印刷在相应的膜坯件上。然后对这样制成的堆叠组件1进行等压挤压。
55.根据本发明的方法现在规定：为这样的堆叠组件1设置陶瓷绝缘层5，使得该陶瓷绝缘层5的组织具有比陶瓷基础材料的组织更小的平均粒度。为此在优选的实施方式中将一个或多个具有与陶瓷基础材料的膜坯件不同材料成分或不同材料特性的膜坯件敷设到堆叠组件1的至少一个侧表面上。然后将堆叠组件1和陶瓷绝缘层5一起烧结，陶瓷基础材料的膜坯件和陶瓷绝缘层5的膜坯件由此变为固相的陶瓷组织。通过有针对性地调节陶瓷基础材料的原料和陶瓷绝缘层5的原料的成分和/或特性，能够在陶瓷绝缘层5的固相的组织中实现比在陶瓷基础材料的组织中更小的平均粒度。在烧结之后，将外电极3敷设到执行器的侧表面上，这些外电极构造为用于与堆叠组件1中的电极2电触点接通并且没有陶瓷绝缘层5。在敷设外电极之后，为了产生极化，施加直流电场，以使陶瓷基础材料和优选陶瓷绝缘层5极化。
56.因为将堆叠组件1和陶瓷绝缘层5一起烧结，所述上述方法是一步式方法。此外也可以实施两步式方法，在该方法中首先烧结堆叠组件1，然后将一个或多个陶瓷绝缘层5敷设到经烧结的堆叠组件1上，接着对设置有陶瓷绝缘层5的堆叠组件再次进行烧结。在这种情况下，特别是可以通过有针对性地选择各个烧结阶段中的工艺参数来实现对陶瓷绝缘层5的组织中和陶瓷基础材料的组织中的不同平均粒度的调节，其中，陶瓷基础材料的原料和陶瓷绝缘层5的原料的成分或者特性基本上可以是相同的。
57.根据上述实施方式，在一步式方法中基本上通过陶瓷基础材料的原料和陶瓷绝缘层5的原料的不同成分或特性、而在两步式方法中则基本上通过各个烧结工艺中的工艺参数的选择来实现对相应的组织中的平均粒度的调节。然而，根据本发明的方法并不限于这样的一步式或多步式方法。
58.此外，在一步式方法中也可以通过适当地选择工艺参数来实现对相应的组织中的
平均粒度的期望调节。在下面更加详细说明的微波烧结的情况中，在堆叠组件中产生不均匀的热分布，其中在绝缘层的边缘区域中由于辐射到堆叠组件表面上的能量之故存在较低的温度，使得中心的晶粒生长大于绝缘层中的晶粒生长。
59.通过为执行器加载适当的电压也能够实现烧结工艺期间在堆叠组件中的不均匀的温度分布，这是因为所产生的电流的作用是加热，并且由于堆叠组件表面上的能量辐射的原因，这个表面比核芯区域具有更低的温度。由电压在堆叠组件内部产生的电场此外能够对叠堆中和绝缘层中的晶粒生长或者粒度分布产生积极影响。
60.另外正在没有与执行器传导接触的情况下，晶粒生长也会在上述意义上(陶瓷绝缘中粒度的循序渐进的过程)受到外部电场的影响。
61.此外，在两步式方法中，除了各个烧结工艺中的不同工艺参数之外，也可以使用不同的材料成分或者材料特性。
62.下面对实现基材的不同成分或者特性的几个实例进行说明，这些实例能够有助于对相应组织中的不同平均粒度的调节。
63.首先，为陶瓷基础材料推荐一种平均粒度在典型的烧结中大得足以实现＞1.1
‰
的膨胀的原料。为了陶瓷绝缘层5，可以给这个材料添加一种晶粒生长抑制剂，以便在接下来的烧结工艺中相对陶瓷基础材料的组织中的晶粒生长抑制陶瓷绝缘层5的组织中的晶粒生长。
64.其次，可以为陶瓷绝缘层5使用如下的原料，其平均粒度在典型的烧结中小得足以满足绝缘层的强度要求。为了陶瓷基础材料，可以给这种材料添加一种晶粒生长加速剂，以便在接下来的烧结工艺中相对陶瓷绝缘层5的组织中的晶粒生长加速陶瓷基础材料的组织中的晶粒生长。
65.此外，陶瓷基础材料的原料与陶瓷绝缘层5的原料在其初始粒度方面可以不同。就是说，与陶瓷基础材料相比，可以为陶瓷绝缘层5使用研磨得特别细的粉末，这也导致了烧结后陶瓷绝缘层5的组织中的更小的平均粒度。
66.此外，特别是对于pzt材料来说可能的是：为陶瓷基础材料和陶瓷绝缘层5选择具有不同的对铅亲和力的原料。如果为陶瓷基础材料选择一种具有比用于陶瓷绝缘层5的原料更高的对铅亲和力的原料，那么陶瓷基础材料就从陶瓷绝缘层中抽取一部分含有的铅。通过这个抽取，减缓了陶瓷绝缘层5中的晶粒生长动态。
67.为了对相应组织中平均粒度的期望区别进行调节，可以将上述可能性单独地或者组合地用于实现不同的材料成分或者材料特性。
68.为了相应的烧结工艺，温度或者温度随着时间的变化曲线、保持时间、环境中的电场和大气环境、特别是含氧量和大气压力基本上描述了可调节的工艺参数，这些工艺参数能够单独地或者组合地有助于实现相应组织中的不同平均粒度。
69.另外也可以通过使用微波烧结来实现相应组织中平均粒度的不同。在微波烧结过程中，由于压电陶瓷的偶极结构之故，在构件的体积中产生热。由于热从构件表面释放到较冷的环境中、就是说释放到大气环境和烧结设施的壁中，所以表面的烧结温度以及由此陶瓷绝缘层5的烧结温度低于陶瓷基础材料的核芯温度。这个温差的结果是，陶瓷绝缘层5中的晶粒生长较慢。
70.本方法并不限于膜坯件形式的陶瓷绝缘层5的层涂敷。此外存在的可能性是：通过
注射成型、等离子喷涂、在陶瓷浆料中的浸渍包封、喷涂或溶胶-凝胶法来敷设陶瓷绝缘层5的原料。除了等离子喷涂之外，上述所有层涂敷的方法都能够既用于一步式、也用于两步式烧结法，如上所述。等离子喷涂的层不必再次进行烧结，而是在层涂敷后已经能够具有其期望特性。然而后续的温度处理会是有利的。
71.上述层涂敷方法中的每一种方法都能够与不同的材料成分或者材料特性的已经列出的可能性和烧结期间的工艺参数的已经列出的可能性组合。此外，利用所有列出的方法都能够实现一个或多个陶瓷绝缘层5。
72.通过选择陶瓷绝缘层5的每个层中的不同的材料成分或者材料特性，或者通过对这些层中的每个层进行单独烧结，能够调节陶瓷绝缘层5上的粒度梯度。此外，由于具有不同材料成分或者材料特性的层的层边界上的相互影响、特别是扩散，导致这些层边界上的粒度梯度。通过这样的粒度梯度能够避免膨胀突变或者应力突变。
73.根据本发明的已经极化的执行器接受了利用恒定电压(dc)的静态使用寿命测试。同时，也对按照现有技术的具有陶瓷绝缘层的执行器进行了研究。如下地选择操控电压，即，使得执行器具有的有效区域膨胀1.47
‰
。根据每个试验组的执行器的失效时间点求出了执行器的平均使用寿命mttf。从表1中能够获得求出的值以及测试条件。
74.聚合物包封的执行器的mttf借助相应制造商的使用寿命公式通过计算算出。
75.根据本发明的执行器在25℃和相对湿度为30％的情况下的mttf基于一系列试验通过外推法求出。
76.表1
[0077][0078]
附图标记列表
[0079]1ꢀꢀꢀꢀ
堆叠组件
[0080]2ꢀꢀꢀꢀ
电极
[0081]3ꢀꢀꢀꢀ
外电极
[0082]4ꢀꢀꢀꢀ
连接导体
[0083]5ꢀꢀꢀꢀ
陶瓷绝缘层