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1、 万方数据陶瓷学报2 0 0 7 年第2 期1 5 用它制备的压电变压器的升压比可达到3 0 0 5 0 0倍。此后出现了P z T 三元系压电陶瓷，其特点是：(1)P b o 的挥发少，容易烧成；(2)加入主成分中的各种固溶物能大幅度的改善压电和介电性能；(3)P z T由正方晶相转变为菱面晶相的相界是一点，而三元系为一条线，较容易得到性能满足各种要求的材料【4】。随着研究的深入，出现了以P Z T 为主体的三元系、四元系压电陶瓷、以P b T i o。为主体的多元系压电陶瓷，这类材料都是钙钛矿结构，一般通式为A B O。典型的用于压电变压器的三组元压电材料中皆含有P b T i O。和P
2、b z r o。，而第三元可为P b(M g m N b 劫0 3、P b(Z n l 商茹0 3、P b(C d l，3 N b 为0 3、P b(B 忱T e 力0 3(B=M n、N i、C o、M g 等)、P b(B 岱b 船)0 3(B=M n、N i等)。这些材料的共同特点为机电耦合因素k p 和Q。很高。如P b(M n 埔N b 劫一P b(z r，T i)O。压电陶瓷在相界附近的配方具有很高的Q 值和较高的极限振动频率(制成压电变压器时，产生2 0 温升时的振动速度)阎，同时，该陶瓷的综合性能较P b(M n 璧N b 曲一P b(z r，T i)饶压电陶瓷的好。P b(M
3、 n 羽勘)一P b(z r，T i)0 3压电陶瓷在烧结过程中出现明显的液相烧结和成分偏析，低温烧结诱导了M n 2+。铌镁锆钛酸铅，铌锌锆钛酸铅，铌锰锆钛酸铅和锑锰锆钛酸铅几个体系已经用于压电变压器或者有望用于此。其特点有所区别。铌镁锆钛酸铅高k D，高介，较大的Q l n 和较好的稳定性；铌锌锆钛酸铅稳定性好，致密性高，绝缘性好，但Q。稍低(不能满足大功率压电变压器的要求)；铌锰锆钛酸铅Q m 较高，K适中，时间稳定性好，但介电常数低，致密性不好；而锑锰锆钛酸铅Q。，K 都高，时间稳定性和频率稳定性都较好，更适于制备压电变压器。进一步固溶化合物，可得性能更优的四元系材料，如周桃生1 6
4、1 的实验中的四元系陶瓷，得到其性能分别为：b=o 7 3，Q m=3 5 0 0，t g8=0 2。用它制成的压电变压器输出功率达到6 5 w。3 压电变压器用压电材料的制备对压电变压器来说，如前所述，除了要所谓“两高一低”，即有较高的机电耦合系数(K)、高的机械品质因素Q。，小的机械损耗和介质损耗外，还要求有好的温度稳定性、时间稳定性、机械强度和频率稳定性 2 1。如何制备满足这些f=!E 能的材料，历来探究较多。由于其大功率特性，其主成分都以P z T 为主体，且在准同型相界附近。前者有利于形成较高的居里温度(2 5 0)；后者有利于好的压电活性的获得。压电变压器用压电陶瓷材料常采用下列
5、措施以获得好的介电性能和压电性能。3 1 掺杂改性通常通过添加掺杂离子取代A 位的P b 或B 位的Z r、T i 来改善相应的介电性能和压电性能。例如在文献网中的P N W P M S 戌强(P b 0 9 5 S r 嘶)(M n 埔S b 为。(N i 垅w 力，(z r。J i 甸z】0 3)系材料中，当x=o D 6，y=o 艘，z=0 9 2 时嗍胜嗡敏口下的压电陶瓷：r _ 2 1 3 8，t a l l8=0-5 8，k p=0 6 1 3，Q 庐1 2 7 5，d 3 3=3 8 0 p C N，T c=2 0 5，它适于大功率压电变压器的制备。由于x P 的n 舢船D 州跑
6、内。一羽)T i O。Z N P z l)具有高的Q m 值和适中的酶，添加s b 2 0；后，l(p 会提高。而x P b(z n l，3 N b 嬲0 3 h P b z p 0 3 一z P b T i O 畿r N P z T)具有稳定性好、致密度高、压电性好，Q m 小的特点；而添加M n 0 2 后，会使Q l D 显著提高。故文献 8】选择P S N P z T+1 0 2 和P Z N 斗Z T+S b 2 0 s 两个三元系为基础，制备出P s N P Z N P M s-P z T 五元系压电陶瓷，达到了较好的综合性能。P b 嘲B 她0 6(Z 2 T i 0 曲n 9
7、2 5(N m u d 妯咖)哪d 0 3+0 2 5 c e O。(掺杂量为m 0 1 分数)为孙玳-P z T 材料中掺入c e 0 2 制备压电陶瓷材料。结果表明c e 0 2 的加入，减小了材料的晶胞参数，提高了材料的机械品质因素Q。和机电耦合系数嘲。而在P N W P M N P z T 材料中掺入适量的P b O，F 岛O。和C e 0。烧结出组成P b。舛S h i 1 蠢W 曲o 诬(M n l 舟N b 劫o0 7(Z r n 5 1 1 l o 4 9)o9 1 0 3+0 5 P b O+o 3 F e 2 0。+o 2 5 c e O。(掺杂量为质量分数)的高介电常数、
8、高品质因素和谐振频率温度稳定性好的压电变压器材料【l o】，在此条件下，压电陶瓷的谐振频率稳定性好，话为8 8xl o。6，k 口=o 5 2 3，Q m=1 8 1 4，：1 3，8。=1 6 8 0【1 1】。而在孙狲一P z T 材料中加入微量的P N N 固溶体，得到成分为P b【(N i 毋m 躺)呲(M n 小m)咖(z r n 5 皓T i n 髑)虬】0 3 m 5 P b O(掺杂量为质量分数)的压电材料，不但可提高材料的相对介电常数和机电 万方数据1 5 2陶瓷学报2 0 0 7 年第2 期表1 不同离子添加物对材料性能的影响T a b 1E f f e c t sO fd
9、 i 行e r e n ti O nd O p i n gO nm a t e r i a lp r O p e r t i e s等价M 酽+、c a 2+、s r 2+、B a 2+等碱土金属离子取代p b 2+等离子添加物影响视不同离子而定。但都有以下特性：T c降低、8 和I(D 升高、d 增加、晶格轴比c a 降低，(5 1 0)s n“、H f 4+等取代T i“、z r 4+取代量施主L a 2 0 3、N d 2 0 3、B i 2 0 3、S b 2 0 3、N b 2 0 5、T a 2 0 5、w 0 3、n 1 0 2升高、k 增大、Q m 降低、老化率&减小受主F e
10、 2 0。、c o Oe 降低、频率常数N 升高、Q。升高、&升高变价c r 2 Q、u Q、M n 0 2、c e o z降低、频率常数N 升高、温度系数变小、&升高耦合系数，还可以降低材料的烧结温度，Y o oJH 等还研究出用于驱动2 8 w 荧光灯的P b，N b 地)O)b(M n 埔，N 胁鹏)Q P b(z r，T i)0 3 的四元材料体系吲。掺杂改性是探索高性能压电材料的有效手段，表1 阮瑚中列出了不同离子添加物对材料性能的影响，它们主要通过取代离子的半径和价态的差异来影响材料性能。3 2 井发新的材料体系大功率压电变压器材料如果有大的介电常数，则有利于输出较大的功率n”，而
11、作为一种高介电常数、低的烧结温度的驰豫铁电体材料的P(N i。删力0。(P 聊，将它加入到P M s _ P z T 作为第四组元得到了高介电常数材料P M s _ P Z T 孙州删。文献 1 5 报道P 卜r 加入到孙州一P z T 系列中可增加介电常数，这样满足了大功率压电变压器大输出的需要f l l l；同时，加入P 卜州能起到降低烧结温度的作用。如果同时进行o 2 5 叭c e 0 2 的添加可改进T 出，o 2m 0 1 s r 对P b 的 取嗡黾提高Q。而k H c h e n 嘲报遵罡强韵M n 参杂可显著地提高Q。，但同时降低了k D。F)(i a 嘲等报道了1 m o I
12、 的P b O 过量可消除烧绿石相并补偿烧结时候的P b O 损失，从而有利于优良介电压电性能的获得。文献【1 8 研究表明：随着P b(M n 村岫为O 厂P b(z n 妯为晚一P b T i O。一P b Z r 0 3 中的P b(M n 心妯曲0 3的加入量的增加，陶瓷晶粒结构从四方相向立方向转变。当P b(M n 砧妯船)O。的加入量为l o m o l 时，得到较好的压电性能：t a n8=o 3，k=o 5 5，Q m-2 5 2 8，适合于压电变压器的制备。由以往的压电陶瓷材料知，压电变压器的压电材料要求K p 和Q m 都高，铌镁锆钛酸铅P b(M g。届勰)0。P b T
13、 i O。一P b Z r O。(简称P M N P Z T)是典型的“软性材料”，其特点是机电耦合系数高，可达o 7 2，机械强度高，抗张强度在5 0 嘶但a 以上，压电性能稳定；而铌锰锆钛酸铅P b(M n u 毋妯嬲)0。一P b T i O。一P b 加。(简称P M n N 嘲是典型的“硬性材料”，其特点是机械品质因素高，可达6 0 0 0，时间稳定性好【1 9】。谭训彦等在综合二者的特点，用P b(M g M 毋泊)O。、P b(M n。届N b 嬲)Q 与P b(z r T i)0 3 进行复合，采用一步合成粉体，得到的孙d A 删一P z T 四元系压电陶瓷材料，其K=o 5
14、1 8，Q。=3 8 8 7，t a n8=0 7 l，1 0=7 0 1，d 嚣=2 0 3 p C N，陶瓷的钙钛矿的含量很高，主要性能与P z T 一8 接近，基本上满足压电变压器的要求。王春娟综合“硬性材料”的P b(M n 坞N 胁)饶一P b(z f，T i)0。和“软性材料”的铌锌锆钛酸铅P b(z n，舟N b 船)0。P b(Z r，T i)O。复合成适合大功率压屯度压器应用的四元系固溶体P b(M n 甜晒曲D 3(Z n l3 I 惦z 3 X，(Z r z r r j l 0 1-x-0 3(P M N P Z N，其性能分别为，d 稿=2 3 0p c N，k p=0
15、 5 7 5，Q。=1 6 2 l。3 3 探索新的制备工艺理论分析表明f 2 l】，压电变压器在工作时本身所受到的机械应力是制约其工作效能的主要因素，所以材料的机械强度要特别高，为了满足这一要求，应当选择微细晶粒的材料。因为研究表明，振动时候的断裂多发生在晶界处。适当的“辅加元素”，如锶、铈、铬等，可以阻止烧结时晶粒的长大，有利于得到细晶的陶瓷。文献【2 2 冲，将压电变压器用于个人数字助理器的液晶显示驱动电路，因为孙椭_ P z T 系列具有较高的Q m，而加入P b(N i，删由来提高其介电常数，加入 万方数据 万方数据1 5 4陶瓷学报2 0 0 7 年第2 期V O l u m e1
16、 2 U【)()：4 9 5 4 9 81 lY o oJ H，L e eYW，Y o o nKH，e ta 1 M i c m s 旬m c t I l 删，e l e c t 打c a lp m p e n i e sa I l d 衄n p e r a m r es t a b i l i t yo fr e s o n a n tf e q u e n c yi nP b(N i l m W)0 3 _ P b(M n l m 劫q P b(Z r，T i)0 3c e r a I l l i c sf o rh i g h p o w e rp i e z o e l e c t d
17、 ct r a n s f b 珊e r J p n P h y s，P a r tl，2 0 0 l，4 0(5 A)：3 2 5 6 3 2 5 91 2J u h y u nY o o，K w a I l g h e eY o o n，S a I l g m oH w a I l g，S u n 自a eS u h，J o n g s u n 戤ma I l dC h u n g s 汰Y o o E e l e c t r i c a lc h a r a c t 耐s t i c so fh 噜hp o w e rp i e Z o e l e c t r i ct r a I l
18、f o 肌e rf o r2 8 wf l u o r e s c e n tl 锄p S e n s o r sa n dA c t u a t o rA 2 0 0 1 9 0：1 3 2 1 3 71 3H w a I l gSM，Y o oJH，H w a I l gJH，e ta 1 P i e z o e l e c t r i ca J l dd i e l e c t r i cp m p e I t i e so fP b(N i l B N b)0 3 _ P b(M n 出妯)0 r P b(z r，T i)0 3c e m m i c sf o rp i e z o e
19、 l e c t r i c 廿a 1 1 s f o n n e r A p p l i c a t i o n so fF e f r o e l e c t r i c s(I S A F2 0 0 2)2 0 0 2，P m c e e d i n g so ft h e2 0 0 21 3 t hI E E EI n t e m a t i o n a lS y H l p o s i u m，2 0 0 2：3 6 7 _ 3 7 01 4 杜红亮，裴志庆，车俊一种大功率压电陶瓷变压器材料研究电子元件与材料，2 0 0 4，2 3(9)：1 9 2 11 5J Y o o，Y L
20、e e，K Y o o n，e ta 1 J p n J A p 讲P h y s，2 0 0 l，4 0：3 2 5 61 6Y H C b c n，S m r o s e，D V i e h l a I l d e ta 1 J p n J A p p l P h y s，2 0 0 0 3 9：4 8 4 3 蝎5 21 7F X 1 a，X Y a o J M a t e r S c i，2 0()l，3 6：2 4 7 2 5 31 8 Y u d o n gH o u，M a I l k a n gZ h u，C h a I l g s h e n gT i a I l，H u i
21、Y a l l S t m c t u r ea n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fP M Z N P Z Tq u a t e m a r yc e 舢i c sf b rp i e z o e l e c t r i ct r a n s f o 肋e r S e n s o r sa I l dA c t u a t o rA，2 0 0 4 11 6：4 5 5 4 6 01 9 日】田中哲郎等编陈俊彦等译压电陶瓷材料北京：科学出版社，1 9 8 22 0 王春娟，李光耀，刘向春，谢述锋，田长生P M N P Z N P z T四元
22、系压电陶瓷材料的研究电子元件与材料，2 0 0 4，2 3(1 2)：1 7 一1 92 l A n i t aM 同y n nF t l n d 唧e n t a ll i m i t so ne n e r g y 仃a n s f e ra n dc i r c u i tc o n s i d e r a d o n sf o rp i e z o e l e c t r i c 虹a I l s f o 肋e r E EU 1 吣o n i c sS y m p o s i u m，1 9 9 8：1 4 6 3 一1 4 7 l2 2 L a k h o o nH w a l l
23、g，J u h y u nY o o。E u n s u n gJ a I l g，e t c 鼬r i c a 廿0 na I l dc h a m c t e d s t i c so fP D AL C Db a c k H 曲td r i v i n gc i r c u i t su s i n gp i e z o e l e c t l i c 仃a n s f o 姗e r S e n s o r sa I l dA c m a t o r sA，2 0 0 4，l1 5：7 3 7 82 3 谭训彦，吴嫒，陆佩文压电陶瓷变压器材料P M N P z T 的研究中国陶瓷工业，2
24、 0 0 4，1 1(1)：6-92 4 李龙土功能陶瓷材料研究的若干进展功能材料，2 0 0 5，2(1)：】O 一1 4S T U D Y O FP I E Z O E L E C T R I CM A T E R I A L SB A S E DO NP Z TF O RP I E Z O E L E C T R I CT R A N S F o R RY a nB O w u1 2X i o n gH a o、(1 D e p a r c m e n to fC o m p u t er，H u a n g s h iI n s t i l u l eo fT e c h n o l
25、o g y，H u a n g s h i4 3 5 0 0 3：2 D e p t o fE I e c t r o n i cS c i&r e c h，H U S TW u h a n4 3 0 0 7 4)A b s t r a c tl nt h i sp a p e r，t h epr i n c i p l e0 fp i e z O e l e c t r i ct r a n S f O r m e ri sI n t r o d u c e d，t o g e t h e rw i t ht h es l u d yp r o g r e s so fi t sm a t
26、e r i a I su s e d A n df u r t h e r m O r e，t h ep r o b I e mo fp i e z O e l e c t r ct r a n S f O r m e ri sa n a I y z e da n dt h ep r o s p e c to fp i e z o e I e c tr ct r a n s f O r m e rj sf O r e C a S t e d K e y w o r d sp i e z O e I e c t n cl r a n s f o r m er p i e z O e I e c
27、t r cc e r a m i c s，d o p i n gR e C e i v e dO nD e c 15 2 0 0 6Y a nB O w _ u，m a I e，E m a：h u s l y b w 1 6 3 c O m 万方数据压电变压器用锆钛酸铅压电陶瓷材料的研究压电变压器用锆钛酸铅压电陶瓷材料的研究作者：晏伯武，熊皓，Yan Bowu，Xiong Hao作者单位：晏伯武,Yan Bowu(黄石理工学院计算机学院,湖北黄石,435003;华中科技大学电子科学与技术系,湖北武汉,430074)，熊皓,Xiong Hao(黄石理工学院计算机学院,湖北黄石,435003)刊名
28、：陶瓷学报英文刊名：JOURNAL OF CERAMICS年，卷(期)：2007,28(2)参考文献(24条)参考文献(24条)1.钦征骑;钱杏南;贺盘发 新型陶瓷材料手册 19952.余厉阳;王德苗;董树荣 压电变压器的研究进展期刊论文-功能材料与器件学报 2003(03)3.Yeong-Ho Jeong;Su-Ho Lee;Ju-Hyun Yoo;Chang-Yub Park Voltage gain characteristics of piezoelectrictransformer using PbTiO3 system ceramics 19994.张福学;孙康 压电学 19845
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