压电陶瓷变压器的设计

1、文华学院电子材料与器件测试技术课程设计题目：压电陶瓷变压器的设计学部： 信息科学与技术 专业： 电子科学与技术 学号： 130108021125 姓名： 包威 指导教师： 梁军或张晓薇 报告日期： 2015.12.30 目录什么是压电效应4定义4原理4分类4正电压效应4逆压电效应5压电效应的发现5具有压电效应的材料体系及其研究发展趋势6压电陶瓷材料研究现状6一元系压电陶瓷6二元系压电陶瓷6三元系及多元系压电陶瓷6压电陶瓷的发展趋势7压电复合材料7压电薄膜7无铅压电陶瓷7纳米压电陶瓷8压电陶瓷变压器的结构、原理及其应用特性9压电陶瓷变压器的基本原理与结构9压电陶瓷变压器的优点10压电陶瓷变压器的

2、工作特性10升压比特性10阻抗特性11频率特性12温度特性13负载特性14压电陶瓷变压器的发展趋势14压电变压器的设计15压电陶瓷的准同型相界16变压器用压电陶瓷的机械品质因数Qm17掺杂改性17添加第三组元素18变压器用压电陶瓷的机电耦合系数kp19变压器用压电陶瓷的谐振频率温度稳定性20调整锆钛比20添加稳定剂21变压器用压电陶瓷的介电性能22变压器用压电陶瓷的低温烧结22参考文献23什么是压电效应压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用

3、力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。定义压电体受到外机械力作用而发生电极化，并导致压电体两端表面内出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外机械力成正比，这种现象称为正压电效应. 压电体受到外电场作用而发生形变，其形变量与外电场强度成正比，这种现象称为逆压电效应. 具有正压电效应的固体，也必定具有逆压电效应，反之亦然. 正压电效应和逆压电效应总称为压电效应.晶体是否具有压电效应，是由晶体结构的对称性所决定的原理压电效应的原理是，

4、如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，这种相互对应的关系确实非常有意思。压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行器设计中占有重要

5、的地位。分类:压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正电压效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英

6、晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应，即电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。压电效应的发现1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现电气石具有压电效应。1881年，他们通过实验验证了逆压电效应，并得出了正逆压电常数。1984年，德国物理学家沃德马·

7、沃伊特（德语：Woldemar Voigt），推论出只有无对称中心的20中点群的晶体才可能具有压电效应。具有压电效应的材料体系及其研究发展趋势压电陶瓷材料研究现状 压电陶瓷指把氧化物混合(氧化锆、氧化铅、氧化钛等)高温烧结，固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称。所有压电陶瓷都具有这一性质，即当外电场变化时，可以使极化强度减少到零或使极化转向。一元系压电陶瓷 BaTi03。是典型的陶瓷铁电体，具有钙钛矿晶体结构BaTi03。不溶于水，机电耦合系数大，成为最早的有实用价值的压电陶瓷。BaTi03。压电陶瓷和石英晶体、罗息盐等压电单晶相比具有制备容易，且可制

8、成任意形状和任意极化方向的产品等的优点。PbTi03。居里温度高(Tc=490 )，自发极化强度是各种钙钛矿型晶体结构的铁电体中最高的是一种具有热释电性和压电性，能在高温下使用的压电陶瓷。镧系元素(La，Ce，Nd，Sm，Eu和Gd)的掺入对于PbTi0。陶瓷晶格参数及介电、压电性能的影响比较大。Udomporn等人直接用Pb0和Ti0作为初始原料，不掺入其它元素，烧结温度1225 ，严格控制工艺参数，成功合成了晶粒细小致密、组织均匀、烧结密度达到理论值为97的PbTi0。陶瓷81。自80年代以来，逐渐发展了两种新型的改性PbTi0 陶瓷，即CaPbTi03陶瓷和SmPbTi03陶瓷。改性的P

9、bTi0。陶瓷的突出优点是强的压电各向异性即在一定组分和极化条件下，可以获得高的K K。值，优于PZT和PT，这对于电子扫描超声的应用非常有利二元系压电陶瓷 50年代初，一种能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料 锆钛酸铅研制成功。由于T 的离子半径与Zr 的离子半径相近，且两种离子的化学性能相似，PbZr03 和PbTi03。能以任何比例形成连续固溶体。1955年美国国家标准局NBS研究所(现称NIST)的Jaffe等人发现，在因成分变化引起的所谓准同型相界或同质异晶相变成分X=052) 。附近，四方相和三角相共存，相变激活能低，只要在微弱电场的诱导下，就能发生晶相结构的转变，极化处理时可以获得高压

10、电活性和高介电常数，压电常数是BaTiO3。的两倍，且其各方面的性能比BaTiO3。陶瓷好得多。PZT的出现开辟了压电陶瓷应用的新局面，对压电陶瓷来说具有划时代的意义。为了适应不同的应用需要，获得不同的压电、介电性能，采用改变锆、钛比的方法，ZrTi主要集中于5347和955组成范围； 但单纯依靠不同ZrTi的改变来改善PZT材料的性能，远远满足不了不同领域的要求还可以在选择ZrTi的基础上采取等价离子及不等价离子置换或者掺加杂质、氧化物的方法。微量的添加物或用置换元素进行改性后，二元系配方比一元系配方性能更为优良，具有高耦合、高机械品质因数和高稳定性等特征，在使用范围内没有明显相变点，可作为

11、滤波器等通信材料，而高耦合、高介电常数方面的优点又明显扩大了压电陶瓷的应用范围，不仅可作为振子，而且还可作为换能器材，在这些应用中都充分发挥了压电陶瓷的独特作用 。自从PZT压电陶瓷合成成功，它为压电陶瓷应用在变压器、滤波器、换能器、通讯、计测、引燃引爆装置、超声延迟线等各个方面打开了前所未有的新局面。三元系及多元系压电陶瓷 PZT压电陶瓷不断改进，逐趋完美。以锆钛酸铅为基础，用多种元素改进的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。1965年，日本松下电气公司把Pb(MgaNb ，3)0。作为第三组加到PZT中制成了第一种三元系陶瓷。经研究发现在这种三元系压电陶瓷中添加一些氧化物会提高机电耦合系数

12、K。和高机械品质因数Q ，还能够使频率常数和老化特性得到改善J 。三元系陶瓷比二元系陶瓷具有更为优越的性能可以大幅度地调节可供选择的组成成份和压电性，容易获得高机电耦合数的接收型材料 大量研究表明，各种驰豫铁电体固溶物与PZT陶瓷组合以及对这种系统的压电陶瓷进行离子置换和掺杂改性可获得高介电、高压电性能并在三元系的基础上发展了更为复杂的四元系、五元系陶瓷材料1 ，使压电陶瓷的研究前景更为广阔压电陶瓷的发展趋势压电复合材料压电复合材料是指压电相材料和非压电相材料按照一定的连通方式合成而构成的一种具有压电效应的复合材料。常见的压电复合材料是由压电陶瓷(如PZT或Pb-TiO。)和聚合物(如聚偏氟乙

13、烯、环氧树脂或硅橡胶等)组成的两相材料。由于压电复合材料具有优良综合性能和可设计性，因此它的出现引起各国学者的极大兴趣，纷纷开展研究，其研究主要集中在美国、日本、德围、南韩等发达国家，其中日本的研究工作比较突出 j。 电陶瓷的脆性大经不起机械冲击：而压电聚合物虽然柔性好，但是它的制备成本高，一般只能在低温范围使用。压电复合材料克服上述两种材料的缺点，兼有两者的优点，既具有优良的压电效应面又保持聚合物的机械可挠曲性。压电复合材料在水声、超声、电声以及其它方面得到了广泛的应用。压电薄膜随着电子器件的小型化以及新的微电子机械(MEMS)创建新型电子器件，实现电子器件概念上的突破在很大程度上推动从体材

14、料研究转向薄膜。只要性能达到要求，可以薄膜代替单晶或多晶材料，而且薄膜易于满足对几何尺寸的要求，成本低于昂贵的单晶铁电材料。20世纪90年代初兴起的铁电薄膜发展十分迅速。压电薄膜的制备方法主要有溅射法、溶胶一凝胶法、金属有机物热分解法和丝网印刷法、脉冲激光淀积法等。溶胶一凝胶法的优点是能够与光工艺兼容，可以制备大面积涂层能精确地控制膜的组分，制作成本低并且也可以制备厚膜的块体陶瓷，因此溶胶一凝胶法制备的PZT薄膜应用于MEMS器件受到重视。无铅压电陶瓷目前所用的压电陶瓷绝大部分为铅基压电陶瓷。近年来，随着环境保护和人类社会可持续发展的要求，研发新型的铁电压电陶瓷已成为世界发达国家致力研发的热点

15、材料之一。目前对BaTiO3。、钛酸铋钠(BNT)、铋层状结构以及铌酸盐四大类无铅压电陶瓷体系进行了大量的研究和开发工作。中国科学院上海硅酸盐研究所于2001年成功地开发了钛酸铋钠基无铅压电陶瓷系列(1-x)Nal,2 Bi l,2 TiO3-xBaTiO3，研究表明x=006时其压电性能最好 。日本和美国的一些大学和研究机构都在进行无铅压电陶瓷材料的探索，并开发出一些很有价值的压电材料。纳米压电陶瓷近年来，各国都积极研究和开发新的压电功能陶瓷。纳米技术的发展已经使陶瓷粉体、纤维、薄膜和块体进入了一个崭新的领域研究的重点大都是从老材料中发掘新效应，开拓新应用，从控制材料组织和结构人手，寻找新的

16、压电材料。由于纳米陶瓷呈现出许多优异的特性引起了人们的广泛关注。目前材料工作者正在摸索制备具有高致密度的纳米陶瓷的工艺，其中包括有PZT材料的纳米化控制纳米PZT材料的制备工艺，纳米PZT材料特性的评价方法等。高性能的电子陶瓷材料一个重要的发展趋势是：用纳米粉体作为原材料生产诸如陶瓷电容器、压电陶瓷，将纳米材料应用到陶瓷工艺中去，生产纳米复合或纳米改性的高技术陶瓷。 压电陶瓷广泛用于电子技术、激光技术、通讯、生物、医学、导航、自动控制、精密加工、传感技术、计量检测、超声和水声、引燃引爆等军用、商用及民用领域。众所周知，PZT基压电陶瓷的T 一般为300 360 oC， 不能满足某些应用的需要，

17、研制一些具有优良压电性高居里温度T 的压电陶瓷成为研究热点：还要继续探索弛豫铁电单晶具有高压电活性的机理并寻求新的低铅及无铅的、位于类质异晶相界的压电新材料；希望压电陶瓷能在较低温度(一4C)及高静水压力(20MPa)下工作，满足深海探索的需求；开展PZT基陶瓷在低温(<一100)条件下的性能研究以适应太空的需要 压电陶瓷变压器的结构、原理及其应用特性压电陶瓷变压器是用铁电陶瓷材料经烧结和高压极化等工艺制成的一种新型电子变压器，利用压电材料的逆压电效应和正压电效应，完成机械能与电能之间的转化，实现高压输出。进入90年代中期后，随着信息产业的迅猛发展及电子产品朝轻、薄、短、小方向发展的趋势

18、，使得压电陶瓷变压器技术与产业得到长足进步和发展。压电陶瓷变压器的基本原理与结构 压电陶瓷变压器采用压电材料， 利用机电转换特性， 配合元件的振动部分、 发电部分电机， 进行极化设计， 由输入电压使压电片处于共振状态， 再由正压电效应， 将高应变转化成电压输出， 从而达到变压的效果。图1为其长条片型一体化结构简图， 采用特殊压电陶瓷材料 （如改性锆钛酸铅或铌镁锆钛酸铅） ，经高压力成型、 高温烧结和高压电场极化等一系列工艺制成。压电陶瓷变压器基于正逆压电效应， 在机电能量二次转换过程中， 通过体内阻抗变换升压。当压电变压器输入端 （驱动部分） 加入一定频率的交变电压， 由于逆压电效应， 使压电

19、变压器产生沿长度方向的伸缩振动， 输入端的电能转换为机械能。在发电部分， 由于存在纵向振动， 通过正压电效应， 机械能转换为电能， 使输出端有高电压输出。因压电陶瓷变压器的反射阻抗随负载阻抗的减小而增加， 这个特性在高压应用时极为重要。当负载短路或高压放电时， 陶瓷变压器的输入阻抗迅速增加， 保证变压器及外围电路不至烧毁。因此， 使用压电陶瓷变压器， 电源无需另设短路保护电路。压电陶瓷变压器的优点较之传统绕线式变压器， 压电陶瓷变压器具有以下优点1、 结构简单、 体积小、 功率大、 重量轻， 适应电子元器件薄型化的发展趋势；2、 无需磁芯和铜线， 可节省金属材料；3、 不会因短路而被烧毁， 不

20、会被高压击穿， 不怕受潮， 不怕电磁干扰， 无噪声。能适应在潮湿、 盐雾、 冲击、 振动等各种恶劣环境下正常工作；4、 转换率高、 升压比高、 安全性能超群；5、 应用范围广。尽管压电陶瓷变压器具有以上这些优点，但也存在一些不足，例如：a压电陶瓷变压器输出功率比较小。虽然有些压电变压器的输出功率可达20W（如NEC制作的尺寸为14mm×14mm×6mm的降压型多层片式压电陶瓷变压器输出功率达20W以上，谐振频率为140KHz，在20W时的转换效率为97%）乃至3040W，但目前成熟产品的输出功率不超过10W，因此仅适用小功率、小电流和高电压领域。b只有当输入电压频率在压电变

21、压器的谐振频率附近时，才有最大的输出电压，如果偏离谐振频率，电压下降的幅度较大。因此，压电陶瓷变压器与传统绕线式变压器不同，其工作频率范围比较窄。c压电陶瓷变压器所涉及的相关控制和驱动电路比较复杂，这会使系统成本增加，可靠性变差。d对安装固定与配置要求比较严格。压电陶瓷变压器有半波模谐振和全波模谐振两种安装状态，在固定陶瓷片时，支撑点必须选定在振动位移为零处，即半波模谐振的支撑点在陶瓷片的中间，全波模谐振的支撑点在距左端的1/4处，否则会影响升压比和转换效率。压电陶瓷变压器的工作特性升压比特性 对 PT进行测试的线路如图2-4所示。信号源所提供的交流电压的频率与 PT的谐振频率相同 。PT的输

22、出为二倍压 整流直流输出。测试结果如图2-5所示。图2-2a、b中实线为理论值 ，三角、方波及圆点为实验值。当负载一定时，输出电压与输人电压成线性关系 ，而图2-5a中的实测值很好地反映了这一关系。由图2-5b不难看出，当负载阻抗足够大时升压比达到了10倍以上，并且随着负载阻抗的增大，升压比还可进一步提高。我们在实验中测得 的升压 比达到100倍 以上 ，即在 10M负载下 ，输入20V电压 ，输出端得到23kv 多的电压。在测试中我们还观察到，随着负载逐渐减小，PT的谐振频率有所下降，如图2-5c所示。图2-5d反应了PT的频率谐振特性，从图中可以看出，PT相当于一个具有放大功能的窄带滤波器

23、，只有当输人信号(电压)的频率接近 PT的谐振额率时，此电压才被大幅度放大，当输人信号的频率偏离 PT的谐振频率较大时(lkHz)，放大倍数大大降低。图2-4 测试线路 图2-5 测试曲线阻抗特性 PT的阻抗特性如图2-6所示。测试条件为输出端开路 ，无整流电路 。图2-6a显示 ，PT的半 波谐振频率为35kHz，全渡谐振频率为70kHz，这与振动理论分 析的结果 是相同的。图2-6b是 PT输人端电压与电流间的相位差随频率变化的曲线 。由图可见 ，在正、反两个谐振点上，相位差为0，输人阻抗为纯阻性 ；两点之间为感性 ；两点外为容性 ，电压落后于电流。 图2-6 阻抗特性频率特性 电磁变压器

24、工作频率决定铁心材料 、绕组及绕组的分部参数，一般来说它可以在较宽的频带范围内工作。 压电陶瓷变压器只有在频率等于压电变压器固有谐振频率的驱动电压激励下 ，使陶瓷片 处于谐振状态，沿其长度方向振动最强的情况下 ，才有升压作用。陶瓷变压器的谐振频率 、决定于陶瓷片的几何尺寸和材料的声速 ，即 式中V是材料的声速，是沿长度方向的驻波波长。若 =2L，即陶瓷变压器之长度等于全波波长时，称全波谐振 ，此时驻波节点有两个 ，分别位于片长两端的四分之一处 。若 = 4L，即压电变压器的长度等于半波长时 ，称为半波谐振，此时，节点有一个，位于片长的中间。因驻波节点振幅为零 ，所以压电陶瓷变压器的固定支承点应

25、选在驻波的节点上 ，正确选择支承点位置，使用压电陶瓷变压器时必须注意。图2-7为测定 wTB一2型压电陶瓷变压器的升压比一频率特性。 从图2-7可以看出，压电陶瓷变压器升压比随输入电压的频率变化而变化 ，在谐振频率附近 升压比最大 ，它的频带很窄。从压电变压器的辖入端观看 ，内部等效电路如图 2-8，它与水晶振子的特性相似 ，压电陶瓷变压器 ，不管是半波谐振或者全波谐振 ，都呈申聪谐振性质 ，其谐振频率分别为 ，这是压电陶瓷变压器的一个重要性质 ，也是它与线绕变压器的一个重要差别12 图2-7 G-f特性曲线图2-8 输入回路等效电路温度特性一般线绕式变压器在教宽的温度变化范围内，电气特性几乎

26、没有多少变化，但在高于100以上时，由于一般的绝缘材料老化速度大大加快而使变压器的寿命很快下降，甚至烧坏。陶瓷变压器的耐热性能教好，通常以锆钛酸铅为主的陶瓷材料，其失效的居里点可高达350以上，因此，一般不会烧坏。但是陶瓷变压器在工作时，对工作变化敏感，特别时候在低温范围（<0），由于温度变化了使谐振频率的漂移，结果升压比将有变化，对工作稳定性有一定的影响。 图2-9 温度特性曲线图从图2-9可看出，压电变压器的谐振频率随温度升高而增大，因此环境温度的变化和陶瓷变压器本身因机械和介质损耗而发热，将引起谐振频率的漂移，从而影响陶瓷变压器的稳定输出。要克服这个问题，除了要求选用温度特性较好的

27、材料做变压器外，在设计驱动电路时，一般要采取稳压措施，才能保证陶瓷变压器工作的稳定性。负载特性负载特性表示在输入电压一定的条件下，输出电压随负载变化的关系。特性曲线表明：输出电压随负载阻抗增大而增加。陶瓷变压器这个特性是由于输入阻抗较大（约在十几兆欧至几十兆欧）引起的。因此，在负载变动的情况下，采用陶瓷变压器作高压电源时，必须采取措施，才能保证高压有较好的调整率。压电陶瓷变压器的发展趋势与其它陶瓷元器件一样，日本在压电陶瓷变压器方面拥有非常雄厚的技术实力，NEC、Tamura、日本金属、TDK、Epson、Tokin、Mitsbishi、本田（Hodan）、村田制作所（Murata）、Pana

28、sonic、TOTO、京瓷（Kyocera）、东京工业大学、山形大学等公司和研究机构都卷入到压电陶瓷变压器的研发。美国宾州州立大学智能材料实验室、德州仪器（TI）、摩托罗拉、德国西门子、荷兰飞利浦、法国阿尔卡特公司、波兰陶瓷研究所、韩国Tronix公司和DFT公司、中国台湾地区的先宁电子和新巨公司等多家公司也都从事压电陶瓷变压器材料与器件的研发。中国大陆从事压电陶瓷变压器研发的单位有西安康鸿、深圳富康、中国电子科技集团公司第26研究所、北京汉之源、北京海特创源、中国科学院上海硅酸盐研究所等。未来几年压电陶瓷变压器的发展趋势是其具有更高的升压比、更小的体积和更低的驱动电压，要求像阻容元件那样系列

29、化、规范化、片式小型化。为此，各大研发机构和生产厂商都在围绕以下三个方面开展工作：1继续开发大功率压电陶瓷材料压电陶瓷变压器是利用压电陶瓷材料的正、逆压电效应，并以其谐振频率激发出电压，因此，要求压电陶瓷材料具有高的机电耦合系数，高的机械品质因素；同时，要求介质损耗要很低，以避免工作时产生损耗发热，为了进一步提高升压比，应开发振动速度更高的压电陶瓷材料。另外，为了制作小功率（<1W）的微型变压器，应开发压电膜变压器。2研究大功率的结构形式目前，使用的压电陶瓷变压器多数为单片形或多层长条形的，这种结构的器件制作工艺简单，升压比较高，但负载能力差，功率小，功率密度<14W/cm3，一般

30、用于高电压、小电流、高阻抗负载。要适应大功率的应用，必须开发圆片形、方片形或圆环多层独石结构的压电陶瓷变压器，这一类的器件制备工艺相对复杂些，但功率密度和承载能力要比长条形器件的大，现有报道，这类结构的压电陶瓷变压器功率密度可达40W/cm3，负载100K的有效升压比可达80倍，而长条单片型负载100K的有效升压比<10倍，叠层形负载100K的有效升压比<50倍。3驱动、控制电路集成化压电陶瓷变压器能否充分发挥其高转换效率，工作时功率的大小，很大程度上取决于驱动电路和反馈控制电路的优劣。有必要研究开发频率的跟踪范围宽，能可靠控制压电陶瓷变压器始终在其谐振点工作，体积小、成本低的集成

31、电路，能与压电陶瓷变压器配套装配成各种规格的电源模块，供应市场，便于压电陶瓷变压器的推广应用。压电变压器的设计 压电陶瓷变压器的研究，从20世纪5O年代中后期就已经开始。但是，那时的压电陶瓷材料是以BaTiO3为主成分，由于其压电性能差，制成的压电变压器升压比仅有50"-60倍，在实用方面未能引起人们的重视。随着锆钛酸铅PZT和以PZT为基的三元系、四元系压电陶瓷材料的出现，具有高升压比、高稳定性和高输出功率的压电陶瓷变压器相继问世，其使用范围也在不断扩大，逐步应用于笔记本电脑、移动电话、数码相机、传真机、复印机等电子信息产业 。三元系、四元系压电陶瓷是在PZT 的基础上添加复合钙钛

32、矿结构的化合物形成的， 由于其性能可在更大范围内加以调整，加之通过等价和不等价的元素取代和改性，能得到比PZT更为优异的压电陶瓷组成，制备的变压器的升压比、功率特性、稳定性也更优。 然而，目前有关适用于压电变压器的多元系压电陶瓷材料的成分设计及影响其性能的因素方面的研究报道甚少，笔者将在实验工作和对相关文献研究的基础上，以三元系压电陶瓷为重点，分别从高 ，高Q ，高Qe，高谐振频率温度稳定性和低烧结温度的性能要求方面进行分析和讨论，提出适用于压电变压器的多元系压电陶瓷材料的成分设计规则。 压电陶瓷的准同型相界PZT陶瓷在ZrTi为53，47摩尔比时存在准同型相界(MPB)，相界附近自发极化的可

33、能取向较多，因而在极化处理时自发极化排列程度增高，压电性能也较好 。弛豫铁电体(Relaxor)，如铌锌酸铅Pb(Znl，3Nb2乃)o3(PZN)，铌镍酸铅PbfNilr3Nb2a)O3(PNN)等与'no3if'r)也形成类似PZT的准同型相界，该相界附近具有较大的机电耦合系数和压电常数，其良好的介电和压电性能近些年也得到了广泛的应用表1中列出了几种典型弛豫铁电体的准同型相界闻将PbTiO3(盯)，PbZrO3(PZ)和弛豫铁电体复合，可以得到如下三元体系相图。从图1中可以看到，在PZT和Relaxor-PT中的准同型相界仅有一个点(MPB I，MPB II)可供配方设计，

34、而在三元体系中却有整条准同型相界线(MPB)可供选择。三元体系中可供选择的组成范围更为宽广，沿着三元相图中准同型相界附近改变组分，可以兼顾以上两类二元系材料的特点，获得几种介电和压电性能都得到满足的压电陶瓷，这非常有利于对各项电学参数要求均高的压电变压器用陶瓷的成分设计。此外，由于实用的压电陶瓷变压器对居里温度f(=要求较高(>250)，Relaxor-PT铁电材料的居里温度一般较低，在150200，这样就需要配方中含有较多的PZT(tc360)以提高体系的居里温度tc(表1)，因此压电陶瓷变压器的主加组元应在靠近三元相图底线(Pz盯)附近的准同型相界附近寻找。 还需注意的是，准同型相界

35、线处的压电性能(压电常数，机电耦合系数，介电常数)虽然优异，但其对成分的微小变动却极为敏感，工艺重复性差；此外，由于相界处晶体结构是四方、三方两相共存(介稳状态)，这种结构的活动性大，导致了内摩擦的增加，从而造成在准同型相界线处出现机械品质因数的极小值。因此，压电陶瓷变压器的主加组元设计应选择靠近准同型相界线的四方相一侧组成，这样可以确保综合压电性能的最优。 变压器用压电陶瓷的机械品质因数Qm 出于压电变压器高升压比和高效率的性能要求，压电陶瓷材料应具有较大的机械品质因数Q 。压电陶瓷变压器在机械谐振状态下输出高压时， 由于克服晶格形变产生的内摩擦要消耗一部分能量，因而会造成机械损耗。Q 反映

36、了这种损耗的程度，Q 越大，机械损耗越小 】。Q 可由(1)式进行计算式中：R为谐振电阻；fr为谐振频率；，a为反谐振频率；C 为1 kI-Iz下试样的静电容量。由于压电变压器用陶瓷需要有较高的介电常数以提高其输出功率特性，即需要有较大的电容量值，此外，压电变压器用陶瓷还需具有较高的机电耦合系数以确保高的转换效率，根据(2)式，高k 需要有高的谐振反谐振频率差值(a-fr)，因此，获取高Q只能从减小谐振电阻入手。谐振电阻的物理意义是样件谐振状态下的最小阻抗，其数值受压电陶瓷微观电畴运动的活性所影响，而电畴运动的活性与陶瓷的晶粒大小、致密度和微量掺杂相关。提高压电陶瓷变压器材料Q 的方法主要有以

37、下两种： 掺杂改性这里所说的掺杂改性主要是受主掺杂，即用低价离子取代钙钛矿结构中B位的2 或T 高价离子。常用的这类离子有Mn3+，Cr3 ，Fe 等 ·。们。这些低价离子的引入，导致晶格结构上出现氧空位以使电荷得到平衡。氧空位的出现使钙钛矿结构的三维氧八面体族产生明显的畸变，对电畴转向产生“钉扎效应”，阻碍了极化翻转。因而这类材料较“硬”，谐振电阻较小，Q 显著上升。此外，由于氧八面体的“骨架”发生“塌陷”使晶胞尺寸缩小，电畴运动活性降低，致使这类陶瓷体难于极化和去极化，因而抗老化性特别好，适宜于作为压电陶瓷变压器材料使用。 Masafumi K 等人研究了MnO2掺杂量对05PN

38、N-0345PT-0155PZ体系压电性能的影响，发现锰掺杂有效地提高了体系的Q 和电学品质因数Qe(tg 倒数) 。表2给出了1 200"(2烧结时不同锰添加量( 为010)05PNN0345PT-0155PZ体系的压电性能。添加第三组元素 Pb(Mnl，3Sb)O3和Pb(Mnl，3Nb23)O3是文献报道最多的用作提高功率特性的弛豫铁电体组元，其特征是复合钙钛矿的B 位由受主掺杂元素(Mn)和施主掺杂元素(Sb，Nb)构成】。对于大功率压电陶瓷变压器，少量Pb(Mnl，3Sb23)O3或Pb(Mnlt3Nb2t3)O3的加入即可获得高于2 000的Q 值，且其它压电参数不劣化。

39、Pb(Mnl，3stw3)o3或PbfMn,nN )Ch作为组元加入到陶瓷体中会产生数量相当大的空间电荷(Pb(Mnl，3Nb)O3 产生的空间电荷约是Pb(MnlnNbl，2)O3的4到5倍)。由此可以推知该类物质的加入所带来的大量空间电荷对畴壁运动将会起到很强的抑制作用，这显著增加了材料内部各电畴转向的难度，因而提高了Q 值。然而添加Pb(Mnl，3stw3)o3或Pb(Mnlt3Nb213)O3的量不能太大，合适的添加量(摩尔分数)一般应小于15。这是因为Pb(Mnl，3Sb23)O3和Pb(Mnlt3Nb2r3)O3与PZ，PT组成的三元相图较为特殊(图2)，在很大一片区域均难以制备出

40、纯钙钛矿相，有恶化压电和介电性能的焦绿石相出现。配方设计还需要注意的有以下两点：一是这类体系烧结温度一般很高(>1 200"(2)，可通过加入PNW、FZN等具有低烧特性的弛豫铁电体复合形成四元系压电陶瓷加以改善；二是大功率压电陶瓷变压器工作时，压电体做大幅振动，因此需要机械强度很高的压电陶瓷。实践证明，陶瓷材料的破坏大多是沿晶界断裂。对于细晶陶瓷来说，晶界比例大，当沿晶界破坏时，裂纹的扩展要走迂回曲折的路程，晶粒越细，该路程就越长，机械强度也就越高。因而为了获得机械强度高的大功率压电陶瓷，可以通过加入少量Ceo2形成细晶陶瓷来改善。CeO2是一种“软硬兼有的添加物”，除了可以

41、抑制晶粒生长，还可以使材料的电阻率显著提高，实现高温高电场极化，使压电性能充分被挖掘。 变压器用压电陶瓷的机电耦合系数kp机电耦合系数kp是表征压电陶瓷材料机械能与电能之间转换能力大小的物理量。由于压电变压器的工作原理是机电能量的二次转换，因此高效率的压电变压器需要高机电耦合系数的压电材料。压电陶瓷在准同型相界(MPB)附近具有较高的=D，因此成分设计一般应选准同型相界附近的组成。此外，提高=D一般还采用施主掺杂的方法，即用半径与Pb2 相近的三价离子如La3+，Nd3+，Sb3+等进入A位，或半径与Zr¨，Ti4+相近的五价离子如Nb5+，Ta5 ，Sb5 ，六价的w6+进入B位进

42、行取代。高价取代低价的结果是带来富余的正电荷，因而瓷体晶格中将出现大量的Pb缺位以平衡电价。Pb缺位的出现，使由于逆压电效应所产生的机械应力及几何形变在一定的空间范围内得到缓冲，因而使电畴翻转时所要克服的势垒降低，畴壁易于运动，=D值显著增加。但是，前面提到为了提升材料的Q 值，一般需加入受主杂质进行改性，然而受主杂质的加入由于对电畴翻转产生“钉扎效应”，在Q 值升高的同时， 值又有所降低。这就要求在进行压电陶瓷配方设计时，不能只盯着个别参数，要综合考虑各项电参数，反复筛选出综合压电性能最优的配方。 此外，张福学等报道以Pb(Mnl，3stw3)o3为第三组元加入PzT可实现=p值与Q 值的双

43、高【l ，这应与其B位既有受主掺杂元素Mn，又有施主掺杂元素Sb的特征相关。变压器用压电陶瓷的谐振频率温度稳定性压电陶瓷变压器是在谐振频率驱动状态下工作的，然而机械损耗、介质损耗和环境温度的变化往往会造成谐振频率的漂移，不利于器件的正常工作，因此压电变压器用陶瓷材料在指定的工作温度范围内应具有良好的谐振频率温度稳定性(谐振频率温度系数，趋于0 谐振频率温度系数r， 的表达式如下：式中： 为25*(2谐振频率； 为频率差；A T为测试温度范围。改善压电陶瓷振频率温度稳定性的方法主要有调整锆钛比和添加稳定剂两大类。调整锆钛比钟维烈等经研究发现，压电陶瓷谐振频率温度系数r， 随锆钛比的变化存在一普遍

44、的规律【41，这可以用 B 皿l ) 4 eoz+02MnO2(CeOz、MnO2含量为质量分数)体系陶瓷圆片径向振子的r， 与锆钛比 的关系为例加以说明，其它三元体系的变化规律与其相同。图3为Ce，Mn掺杂改性的F-ZT陶瓷的 ， 随锆钛比 的变化关系。O从图3可以看到，在四方相区内，随锆钛比升高，谐振频率温度系数向正方向变化；而在准同型相界(MPB)附近，谐振频率温度系数又随锆钛比的升高而急剧向负方向变化。随锆钛比的变化存在谐振频率温度系数r， 为零的两个组成：一个在四方相区，以T表示，一个在MPB附近， 以M 表示。T点附近的特点是：温度系数随锆钛比变化平缓，容易实现温度系数为零，然而机

45、电耦合系数一般不高(<O50)；M 点附近的特点是：机电耦合系数一般较高(>050)，但温度系数对工艺条件敏感，不易实现零温度系数。因此，寻找综合压电性能较优的高稳定性压电陶瓷配方应选择M 点附近组分。为了改变M 点附近工艺性差的缺点，可以通过设计复相陶瓷加以改善：钟维烈等通过复相陶瓷烧结技术制备了高品质高稳定性的硬性压电陶瓷【l 。具体工艺如下：采用如图3所示体系，分别在M 点两侧选择谐振频率温度系数rfr变化较缓的组成制各基体组元。MPB四方相一侧基体组元为A ( =050)，烧结温度 ；MP三方相一侧基体组元为B ( 056)，烧结温度 。球磨混合A、B基体组元，经造粒、成型

46、后于乃温度进行烧结， <死< ，制各出复相陶瓷C。表3列出了A、B基体组元及其不同质量比混合烧结所得复相陶瓷c的压电性能。从表3可以看到，谐振频率温度系数r， 具有补偿效应，精心调整A、B基体组元间的质量比可以获得0 r， 的复相陶瓷。因此，可以通过设计复相陶瓷来制各具有高谐振频率温度稳定性的变压器用压电陶瓷材料。需要注意的有以下两点：一是两种基体组元r，之间能够进行补偿的前提是没有发生固溶反应， 因此A或B基体组元的烧结温度需高于复相陶瓷C的烧结温度，但是A和B的烧结温度不能同时都高于复相陶瓷C的烧结温度，否则尽管固溶反应会被很好地抑制，但是复相陶瓷C却很难烧结成瓷。二是基体组元A和B的组成需靠近MPB 以保持较高的机电耦合系数，但是又不能太近以避免进入准同型相界带来工艺的不稳定性。添加稳定剂对于压电陶瓷变压器配方的设计，还可以通过添加少量稳定剂来调节 ， 。SrCO3、BaCO3、 o3和Fe203等可以使三