（微电子学与固体电子学专业论文）大功率径向振动压电变压器的研制.pdf

摘要 摘要 本论文通过调节铌锶锆钛酸铅( p s n z t ) 中s n 与p z t 的比例，利用m n c 0 3 掺 杂进行改性，研究了它们对材料显微结构和介电压电性能的影响。研制出高机电 耦合系数硌、高机械品质因数q 。高压电常数d 小高介电常数，、低介电损耗 t 9 6 的压电陶瓷材料，并用这种材料制作了不同输入输出电极面积比的大功率、 大电流、低升压比的径向振动压电变压器。利用大型有限元通用软件a n s y s 对 变压器的振动模式和输入阻抗特性进行了模拟。针对径向振动压电变压器的电学 特性，设计出变压器的驱动电路，使其应用在电子镇流器中，成功点亮了t 5 型 2 8 w 荧光灯，并研究变压器对荧光灯的驱动特性。 实验表明：在p z t 陶瓷中固溶进s n 后，材料的居里温度向低温方向移动， 室温介电常数增大，介电峰变宽且峰值下降，呈现出明显的尖锐相变向弥散相变 过渡。当s n = 0 0 5 m o l 时，p s n z t 固溶体材料有较大的介电常数s ，、机械品质因 数q 。压电系数d 如、机电耦合系数昂，较低的介电损耗f 酊。适量m n 掺杂提 高了材料的q 。，但过量的m n 掺杂会使材料的d 3 卜s ，和群下降，t 9 6 增大。 当m n c 0 3 = o 4 w t 时，( s n ) 0 0 5 ( p z t ) o9 5 陶瓷材料的d 3 3 = 3 7 2 p c n ，畅= 05 4 ， q 。= 1 8 7 2 ，t 9 6 = 2 2 。，满足大功率径向振动压电变压器陶瓷材料的要求。 利用大型有限元分析软件a n s y s 对压电变压器进行模态分析和谐响应分析， 得到了压电变压器各阶模态的振型、频率及电压分布，发现在谐振频率和反谐振 频率f ，变压器作比较纯粹的径向扩张振动，而在这两个频率之外，变压器在z 方向会产生较大的位移，使变压器产生能量转换效率低且不利于器件正常工作的 扭曲振动。 对变压器的电学特性分析表明：随着输入输出电极面积比的减小，输入端有 效机电系数k 4 y 减小而输出端有效机电系数增大，输出阻抗z 。减小，输入端谐振 频率 升高而输出端谐振频率降低。在负载恒定的情况下，变压器的升压比随着 输入端电极面积的增大而减小。同时升压比又与频率有关，在谐振频率处升压比 最大，在反谐振频率处最小。 实验制作的压电变压器均能成功点亮t 5 型2 8 w 荧光灯。由于变压器p t a 2 的 输出阻抗与荧光灯点亮后的等效阻抗最接近，所以有最大的转换效率，其性能参 数为：输入输出电极面积比为2 2 l ，也威i n ) = 0 3 4 4 ，。“o u t ) = 0 4 0 8 ，q 。( i n ) = 1 6 8 7 ， z 。= 1 0 4 4q ，输出功率为3 1 0 1 w ，效率_ = 7 4 1 5 。 径向振动压电变压器是近年来在国际上出现的新型压电变压器，它利用的是 平面机电耦合系数k ，比r o s e n 型压电变压器利用的横向机电耦合系数忌j j 大近 华南理工大学硕士学位论文 一倍，容易以较小的尺寸实现低压、大电流、低频、大功率输出，可用在电子镇 流器、适配器及d c d c 变换器中。相对于传统的电磁变压器来说，径向振动压 电变压器具有耐高温、高可靠、使用时不会击穿且不产生电磁干扰等优良特性， 有望在电源设备方面逐步取代传统的电子变压器。 关键词铌锶锆钛酸铅；大功率；压电变压器；有限元分析：镇流器 i l a b s 眦c t a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s 。t h es t r u c t u r a l ，d i e l e c t r i c a n d p i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s o f ( s r n b ) x 一( p z t ) 1 一x + y w t m n c 0 3 ( x = 0 0 3 - 0 卵，y = 0 4 0 7 ) s y s t e m c e r a m i c sw e r e i n v e s t i g a t e d t o d e v e l o p t h e h i g h e l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n gf a c t o r ( 醌) ，h i g h m e c h a n i c a l q u a l i t yf a c t o r ( q ) ，h i g hp i e z o e l e c t r i cc o n s t a n t ( d s s ) ，h i g h r e l a t i v e p e r m i t t i v i t y ( ，) a n d l o wl o s s f a c t o r ( t 9 6 ) c o m p o s i t i o n c e r a m i c sf o r p i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e r o ft h e s ec e r a m i c s ，r a d i a lm o d e p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r so fh i g hp o w e r ， h i g h o u t p u t c u r r e n ta n dl o w v o l t a g es t e p u p r a t i ow i t hd i f f e r e n t i n p u t o u t p u t e l e c t r o d ea r e ar a t i o sw e r em a d e t h ev i b r a t i o n s h a p e s a n df r e q u e n c i e sa n di n p u t i m p e d a n c e o f p i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e r sw e r es i m u l a t e dw i t ht h e g e n e r a l f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s a c c o r d i n gt o t h ee l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o fr a d i a l m o d e p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r ，ad r i v i n gc i r c u i tw a sd e s i g n e da se l e c t r o n i cb a l l a s t a t 52 8 wf l u o r e s c e n t l a m pw a sl i tb yt h ep i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e rb a l l a s t ，a n dt h e d r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a t i n c r e a s i n g t h es nc o n t e n ti nt h e l s r n b ) x - ( p z t ) hs o l i ds o l u t i o ns y s t e mw o u l dd r o pt h ea v e r a g ec u r i et e m p e r a t u r e ， b r o a d e nt h ew i d t ho fs t p e a k sa n di m p r o v et h er e l a t i v ep e r m i t t i v i t y ( ，) a tr o o m t e m p e r a t u r e ，w h e nx = 0 0 5 m o l ，t h ep s n z t c e r a m i c sh a v el a r g e r 。o m d 3 3 ，k 口a n d l o w 增6 o w a si n c r e a s e dw i t ha p p r o p r i a t em n c 0 3a d d i t i o n ，b u tt h ee x c e s sm n c 0 3 a d d i t i o nw o u l dd e c r e a s ed 3 s ，r ，k na n di n c r e a s et g o t h eo p t i m u m p r o p e r t i e sw e r e o b t a i n e dw i t h0 0 5 m o ls nc o n t e n ta n d0 4 w t m n c 0 3 a d d i t i o n ：d ，3 = 3 7 2 p c l n ， j 乙= o 5 4 ，a m = l8 7 2 ，t 9 6 = 2 2 0 t h a tc o m p o s i t i o nw a sp r o p e r f o rt h e h i g hp o w e r p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r u s i n gt h eg e n e r a lf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h em o d a la n df u l l h a r m o n i c a n a l y s e s o f p i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e rw e r ec a r r i e do u t t h e a n a l y s e s d e t e r m i n e dt h ev i b r a t i o ns h a p e sa n df r e q u e n c i e so ft h ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e ra n d v o l t a g ed i s t r i b u t i o n so nt h e e l e c t r o d ea r e a s i tw a ss h o w nt h a ta tt h er e s o n a n ta n d a n t i r e s o n a n tf r e q u e n c i e st h ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r sv i b r a t i o ns h a p e sw e r eq u i t e p u r er a d i a le x p a n s i o n a to t h e rf r e q u e n c i e s ，l a r g ed i s p l a c e m e n t sa l o n gz a x i a lw e r e o b s e r v e d ，a n dt h et r a n s f o r m e rv i b r a t e dc o n t o r t e d l y ，a n dt h a tw o u l dd oh a r mt o t h e t r a n s f o r m e r t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fr e s o n a n ta n da n t i r e s o n a n t f r e q u e n c i e s a n d i n p u ti m p e d a n c e o ft h ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e rw e r ec l o s et ot h em e a s u r e do n e s 1 1 1 华南理工大学硕士学位论文 i tw a sd e m o n s t r a t e df r o mt h e e x p e r i m e n t t h a tw i t ht h ed e c r e a s eo f t h e i n p u t o u t p u te l e c t r o d ea r e ar a t i o ，t h ee f f e c t i v ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o e f f i c i e n t 8 ，ro f d r i v e rs e c t i o nd e c r e a s e dw h i l et h ec o e f f i c i e n to fg e n e r a t o r p a r ti n c r e a s e d a n dt h e o u t p u ti m p e d a n c ez 。u td e c r e a s e d t h er e s o n a n tf r e q u e n c y 矗c h a n g e dc o n t r a r i l yt ot h e c h a n g eo fk e f f t h es t e p u pr a t i od e c r e a s e dw i t ht h ei n p u t o u t p u te l e c t r o d ea r e ar a t i o i n c r e a s i n g a n dr e l a t e dt ot h e f r e q u e n c y t h e m a x i m u ms t e p - u pr a t i ow a sa tt h e r e s o n a n tf r e q u e n c y ，w h i l et h em i n i m u ma tt h ea n t i r e s o n a n tf r e q u e n c y a l lt h et r a n s f o r m e r sm a d ei nt h ee x p e r i m e n tc o u l dl i g h tt h et 52 8 wf l u o r e s c e n t l a m p t h et r a n s f o r m e rl a b e l e dp t a 2h a dt h eb e s te f f i c i e n c yb e c a u s eo ft h eo u t p u t i m p e d a n c em a t c h i n gw i t h t h ee q u i v a l e n tr e s i s t a n c eo ft h el a m pa f t e rl i g h t i n g t h e e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp t a 2a r e ：t h e i n p u t o u t p u te l e c t r o d ea r e ar a t i o i s 2 2 1 ： 女积i n ) = 0 3 4 4 ，“o u t ) = o 4 0 8 ，a 。( i n ) 21 6 8 7 ，z 。“产1 0 4 4q ，p o “t = 3 1 0 1 w ，口2 7 4 1 5 t h er a d i a lm o d e p i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e ri san e w t y p ep i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e r i tt a k e st h ea d v a n t a g eo ft h er a d i a le l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gf a c t o r ( ) w h i c hi sl a r g e rt h a nt h et r a n s v e r s ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gf a c t o r ( k 3j ) t h a t r o s e n t y p ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e rt a k e s a n dt h e n ，l o wv o l t a g e ，l a r g ec u r r e n t ，h i g h p o w e r c a nb ee a s i l yg a i n e dw i t hl e s sb u l kd i m e n s i o n t h er a d i a lm o d ep i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e rc a nb eu s e di ne l e c t r o n i c b a l l a s t ，a d a p t e r ，d c d c c o n v e r t e r ，e t c c o m p a r e d w i t ht h ec o n v e n t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e r ，p i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e rf e a t u r e s h i g hp o w e rd e n s i t y ，s i m p l e s t r u c t u r e ，s m a l lv o l u m e ，n o e l e c t r o m a g n e t i c n o i s ea n d u n i n f l a m m a b i l i t y i t w o u l db eu s e d w i d e l y i ns o u r c e e q u i p m e n t ss u b s t i t u t i n gf o rt h ec o n v e n t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c t r a n s f o r m e r k e y w o r d s ：s t r o n t i u mn i o b a t e l e a dz i r c o n a t et i t a n a t e ；h i g hp o w e r ；p i e z o e l e c t r i c t r a n s f o r m e r ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；b a l l a s t 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：董翠压 日期：洲年r 月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：黄耀庭 日期：2 神年，月，。目 导师签名：凌玄巷 日期：撕牛年6 月j 牛日 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论帚一早珀t 匕 自从1 8 8 0 年j 居里和p 居里兄弟发现电气石的压电效应以后，便开始了压 电学的历史。石英和b a t i o j 陶瓷在压电史上都起过重要的作用，但是在人类发现 压电陶瓷之后，便大大加快了应用压电陶瓷的速度。与压电单晶材料相比，压电 陶瓷材料具有机电耦合系数高、且容易制成复杂形状，价格低廉，易于批量生产 等优点m ，故广泛应用于制作压电变压器、超声换能器、压电蜂鸣器、滤波器等。 压电器件由于具有在电能和机械能之间进行有效能量转换的特殊性能，而应 用于许多科技领域。近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得了一系列重大成果， 应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个部门中，成为不可缺少 的现代化工业材料之一。 压电变压器是2 0 世纪5 0 年代后期开始研制，并于7 0 年代发展起来的的一 种新型压电器件，最早由c a r o s e n 于1 9 5 6 年发明。但是，那时的压电陶瓷材 料是以b a t i o ，为主，其压电性能低，制成的压电变压器升压比很低，仅有5 0 6 0 倍，输出电压仅为3 k v ，实用价值不大，故未能引起人们的重视。随着p 6 z ，死0 ， 等高畅和高q 。压电陶瓷材料的出现，压电变压器的研制才取得了显著的进展。 目前己能生产空载升压比大于5 0 0 ，输出功率大于5 0 w 的压电变压器【2 】。 与传统的电磁变压器相比，压电变压器有以下的优点n 5 1 ： f 1 ) 体积小，重量轻； ( 2 ) 无噪声，无电磁干扰，无需电磁屏蔽； ( 3 ) 耐高温，安全性高，不会被高压击穿，不会起火燃烧； ( 4 ) 无需磁心和铜线，可节省有色金属材料； ( 5 ) 升压比大，转换效率高，输出波形好； ( 6 ) 结构简单，制作简便，易于批量生产。 随着信息处理设备和通讯设备日益小型化的发展，电源设备小型化的需求越 来越高，加上功能陶瓷材料的迅猛发展，压电变压器的应用范围越来越广。目前 压电变压器已用于电视显象管、雷达显示管、液晶显示背景光源、静电复印机、 静电除尘、小功率激光管、离子发生器、高压极化等高压设备中1 6 - - 8 1 。 华南理上大学硕士学位论文 1 。2 压电变压器的研究现状及需解决的问题 压电陶瓷材料种类的更新和性能的提高，使得压电器件及其应用成为可能。 然而，由于压电变压器涉及到电学、声学、机械学等学科，压电变压器的设计、 制作和应用方面均存在问题。压电变压器目前只能少量替代，而不能完全替代电 磁变压器。 1 2 1 压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例 的介质极化，同时在晶体两端面将出现数量相等、符号相反的束缚电荷，这种现 象称之为正压电效应；反之，当在晶体上施加电场引起极化时，将产生与电场强 度成比例的变形或机械应力，这种现象称之为逆压电效应- 9 1 1 1 。这两种正、逆压 电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列 方式，即晶体的对称性所决定。 属于固体无机材料的陶瓷，一般是把必要成分的原料进行混合并经成型和高 温烧结，由粉料之间的固相反应在烧结过程中获得的微细晶粒不规则集合而成的 多晶体。晶体微粒中由于正负电荷中心不重合而产生沿c 轴的自发极化，自发极 化取向一致的微小区域称为铁电畴。由于铁电畴的随机混乱取向，多晶铁电畴总 的宏观极化强度为零，所以烧结状态的铁电陶瓷不呈现压电效应，如图1 1 ( a ) 所示。只有在足够的高压直流电场作用下，陶瓷多晶铁电畴的自发极化方向将平 均地取向于电场方向，如图1 一l ( b ) 。经极化处理后的陶瓷，即使外加电场去掉之 外加电场 剩余极化强度尸， a ) 搬化前宏观极化强度为零( 6 燃鲁嚣艘扣凑豁絮就嚣有 图1 1 压电陶瓷的人3 2 极化过程 f i g 1 一lp o l a r i z a t i o np r o c e s so fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c 第一章绪论 后，仍保持剩余极化，如图1 1 ( c ) 所示。 极化后的压电陶瓷表面出现束缚电荷，并在相应的电极面上吸附等量的自由 电荷。当施加一个与极化方向平行( 或反向) 的压力后，陶瓷体产生机械形变， 导致电偶极矩发生变化，极化强度也就是电荷密度发生变化，而使电极面上的自 由电荷发生变化，即发生充放电现象，产生压电效应。当在极化后的压电陶瓷上 施加与极化方向平行( 或反向) 的电场时，使得电偶极矩发生变化，则导致压电 陶瓷产生形变，即产生逆压电效应。由此可见，陶瓷材料的压电效应来源于材料 本身的铁电性。将具有铁电性的陶瓷进行人工极化后所获得的陶瓷就是压电陶瓷。 1 2 2 压电变压器的工作原理和结构 压电变压器是利用压电材料的逆压电效应和正压电效应来实现高压输出。即 在压电陶瓷片输入低电压信号，通过逆压电效应转换成机械振动能，再通过正压 电效应又转变成电能。在压电陶瓷的电能一机械能电能的机电能量的二次变换 中实现阻抗变换，从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的电压输出。 根据振动模式的不同，压电变压器可分为r o s e n 型、厚度振动型、径向振动 型等i t 2 1 。其中r o s e n 型压电变压器最为常用。 r o s e n 型压电变压器结构简单，制作容易，升压比非常高，特别适合于驱动 高电压小功率器件，比如驱动c c f l ( c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n tl a m p s ) ，可为手 机、笔记本电脑的l c d 显示器提供背光源。图l 一2 示出普通的r o s e n 型压电变压 器的结构及其原理。整个压电变压器可分成两部分，左半部的上、下面都有烧渗 的银电极，沿厚度方向极化，作为输入端，称为驱动部分；右半部分的右端也有 烧渗的银电极，沿长度方向极化，作为输出端，称为发电部分。当交变电压加到 压电变压器输入端( 驱动部分) 时，由于逆压电效应，压电变压器产生沿长度方向 图1 2r o s e n 型压电变压器 f i g 1 2r o s e n t y p ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 华南理工大学硕士学位论文 的伸缩振动，将输入电能转换成机械能；而发电部分则通过正压电效应将机械能 转换成电能，产生高压输出。由于压电变压器的长度远大于厚度，故输入端为低 阻抗，输出端为高阻抗，因此输出电压远大于输入电压。一般输入几伏到几十伏 的交变电压，就可以获得几千伏以上的高压输出阻m 。 ( p ：极化方向t ：应力方向) 图1 - 3 厚度振动型压电变压器 f i g 1 3t h i c k n e s sv i b r a t i o nm o d ep i e z o e l e c t r i ct r a n s f o r m e r 厚度振动型压电变压器又称为纵纵式压电变压器，是由两块纵向振动压电陶 瓷片胶合而成，中间有一层绝缘层，如图1 3 所示。在输入端加上交变电压，由 于逆压电效应，输入端就会产生厚度扩张振动。这种机械振动传到输出端，由正 压电效应转换成电能。转换比率，等于输入端跟输出端厚度之比。通过调整 输入端和输出端陶瓷片的厚度比例，就可以很方便的调整压电变压器的升压比r ” 16 1 。厚度振动型压电变压器的特点是功率较大、工作频率很高，能够降低电压， 多用于高频开关电源中。 ( p ：掇化方向，t t 应力方向) 图l 一4 径向振动型压电变压器 f i g 1 4r a d i a lv i b r a t i o nm o d e p i e z o e l e c t r i ct r a n s f o m e r 4 第一章绪论 径向振动型压电变压器是一种处于发展中的新型压电变压器，其结构如图1 - 4 所示。这种压电变压器的突出优点是结构简单，制作方便，能以很小的尺寸实现 低频和大功率，可用在电子整流器、适配器及d c d c 变换器中m j 。这种压电变 压器的器件已由美国t r a n s o n e r 公司制作出来 2 2 1 。 1 2 3 压电变压器对陶瓷材料的- 陛能要求 压电变压器是一种利用机电能量的二次变换在谐振频率上获得升压输出的 器件。以r o s e n 型压电变压器为例，空载时，其谐振状态下的升压比为： 允= 等= 砉蚺南， ( 1 - - ) 最大效率为： 1 2 雨刃磊历( 1 - 2 ) 最大效率时的升压比为： 。= a 4 2 1 1 + ( 2 q 卅，石锎( 1 3 ) 式中，e ，、u 2 一一输入电压和输出电压的有效值； q 。一一材料的机械品质因数： k 价k x x 一一材料的横向及纵向机电耦合系数； 卜一变压器的发电部分的长度； 卜一变压器的厚度。 由( 1 一1 ) ( 1 。3 ) 式可见，为了得到高升压比和高效率的压电陶瓷变压器，必须 对压电材料有以下要求： ( 1 ) 高的机电耦合系数。因为机电耦合系数k 是一个综合反映压电陶瓷的机 械能与电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机一电能量转换能力的反映。 对于r o s e n 型压电变压器，要求压电材料有高的k 3 和k m 而对于本论文研究的 径向振动压电变压器，则要求压电材料有高的k 。 ( 2 ) 高的机械品质因数。机械品质因数q 。是表征压电陶瓷材料机械损耗大小 的物理量，q 。越大，机械损耗越小。大的q 。有助于降低压电变压器工作状态下 的能量损耗，减小器件发热量，提高输出功率，这对于大功率压电变压器的工作 稳定性极为重要( 2 3 。 ( 3 ) 低的介电损耗。在交流电压下，介质所积蓄的电荷有两种分量：一种为 有功部分，另一种为无功部分，这是由于电阻泄漏或介质吸收所致。介质损耗r 筘 是无功分量与有功分量的比值，它反映出压电变压器在交变电场作用f ，由于发 华南理工大学硕士学位论文 热而导致的能量损耗。因此，介质损耗f 时越小越好。 ( 4 ) 频率稳定性和时间稳定性好。压电变压器输出电压的高低与频率直接有 关，变压器的输出电压只有在谐振频率附近才达到最大值；若偏离谐振频率，电 压下降幅度就很大，这是压电变压器的重要特性，它与线绕变压器不同，不能在 较宽的频率范围内工作。此外，压电变压器的谐振频率会随温度的变化而变化， 当环境温度发生变化或变压器本身因机械和介质的损耗而发热时，将会引起谐振 频率的漂移。当用固定频率信号激励时，谐振频率的漂移会因其输出电压的变化， 从而影响高压电源的稳定工作。因此，用于压电变压器的压电陶瓷材料还应有较 好的频率稳定性和时间稳定性，以保证变压器在变化的环境温度和长期使用过程 中性能的稳定。压电变压器在工作时既要承受大的输入电信号，又要在谐振时产 生大的应变，因此，所用的材料要能避免因机械疲劳引起的材料压电常数的劣化， 又要能耐较高的交流电场和有足够的机械强度。 1 2 4 压电变压器的研究进展及存在问题 1 2 4 1 压电变压器陶瓷材料的研究 一、钛酸钡( 幽7 - ，系压电陶瓷材料 b a t i o ，作为多晶体的压电陶瓷来应用，有许多不同于各种压电单晶体的优 点，如容易制备、易于加工、价格低廉等，成为压电陶瓷材料发展的开端。同时， 它也是最先用作压电变压器的单元系压电陶瓷材料。但是，由于其居里温度n 太低( 1 2 0 。c ) ，当工作温度超过8 0 。c 时，压电性能便显著劣化。此外，其压电性能 远小于后来发现的锆钛酸铅 p b ( z r , t i ) o j 】系材料，制作的压电变压器升压比低， 因此，在作为压电变压器材料方面已基本由锆钛酸铅和以锆钛酸铅为基础的多元 系所替代m ：”。 二、锆钛酸铅p z t p b 衙，厂伽二元系压电陶瓷材料 钛酸铅( p b t i o j ) 和锆酸铅( p b z r o j ) 均是钙钛矿型结构，相对于b a t i 0 3 ，p b t i o s 和p b z r o j 的居里温度l 更高，分别为4 9 0 c 和2 3 0 。c 。此外，由于尉“的离子半 径( o 6 4 a ) 和z r “的离子半径( 0 7 7 a ) 相近，且两种离子的化学性能相似，因此二者 能以任意比例形成连续固溶体”。 图1 5 为p b z r o j - p b t i o j 系固溶体的低温相图。 由图可见，在l 以下，在z r ：t i = 5 3 ：4 7 附近存在一条同质异晶相界，又叫准 同型相界( m p b ) 。实验表明，准同型相界并不是一条几何线，而是有一定宽度 的组成范围。在该范围内，三方相和四方相共存，说明在这种状态下，三方相和 6 第一章绪论 四方相之间的自由能差很小，相变激活能低，只要在微弱外电场的诱导下，就能 发生晶相结构的转变。两相共存使电偶极矩有较多的可能取向，在进行极化处理 时，电偶极矩沿电场排列的程度较高，因而相界附近的组分具有很高的压电活性 26 1a 芬 - 警 图1 5p b z r o j p b t i o j 系固溶体的低温相图 f i g 1 - 5t h ep h r a s ed i a g r a mo f p b z r 0 3 - p b t i 0 3s y s t e m 要想获得性能不同的p z t 压电陶瓷，可以采用调整锆钛比的方法对特性进行 调节。但是，仅用这种方法得到的材料，还不能满足各种实际应用对材料性能提 出的不同要求。所以，还可以通过取代和掺杂改性使p z t 具有更广泛的适应性及 具有更佳的应用效果。取代和掺杂改性的方法往往是在p z t 中加入微量添加物， 使材料性能得到改善。压电变压器陶瓷材料常采用硬性添加改性。所谓“硬性” 添加改性是指价数低于j p 6 “或( z r ，r i ) “的正离子占据p 6 “或( z r ，t i ) “的位置， 使晶格出现氧空位，晶胞产生收缩，电畴壁运动比未掺杂前困难，因而材料的矫 顽场增高，q 。增大，介电常数和介电损耗减小，性能上变“硬”，成为大功率发 射型材料。这类添加物有f 、n a + 等取代p 西“；f ，+ 、c o “、m n “( 或f ，+ 、c + 、 m n + ) 、n i “、m g “、a l ，+ 、g a n 等取代( z r ，t i ) “。此外，这类受主杂质往往还有 抑制晶粒生长的作用，从而可提高材料致密度，改善其机械强度。 通过掺杂改性的p z t 陶瓷材料，基本能满足压电变压器的性能要求，但仍存 在烧结工艺性差、烧结稳定偏高( 1 3 0 0 。c 1 3 5 0 。c ) 、成分难以控制等缺点。 三、三元系及多元系p z i 基压电陶瓷材料 三元系、四元系压电陶瓷是在p z t 的基础上添加复合钙钛矿结构的化合物 r 一一般为a ( b7 ，b 3 0 ，】形成的，由于其性能可在更大范围内加以调整，加上通过 华南理工大学硕士学位论文 等价和不等价的元素取代和改性，能得到比p z t 更为优异的压电陶瓷材料，制备 的变压器的升压比、功率特性、稳定性也更优。 已经得到的复合钙钛矿型化合物不下百种，一般a 位元素还是p b ，取代出 于钙钛矿八面体的口位元素有：口7 为较低价阳离子，如：m g “、z n “、n i “、f e “ 和s c 3 + 等；口位为较高价阳离子，如n b “、t a “、酽+ 等。复合钙钛矿型化合物 与b a t i o j 等普通铁电体相比，具有弥散相变和频率色散的物理特征，所以又称作 弛豫铁电体。弛豫铁电体与彤“绣也形成类似p z t 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m ，。表1 - 1 列出了几种典型的弛豫铁电体。 衰i - 1 弛藏铁电件 l 曼型笔! 二黻篡馨地熊氅鬯 竺竺竺竺竺竺：篓= 燮= ： p i 删q p i l l- 1 21 5 0 0 0 p b ( z l i 肌) o j p 蹦1 4 02 2 0 0 0 争b 删l o 她曲0 l 烈n - 1 2 0 4 0 0 0 孙( c o m n t k ) 0 l p e n- 7 06 0 0 0 p b ( 扎m n b m l o ，p f n 11 41 2 0 0 0 p b ( 1 魄矗h o o l 孙仃 -9870 p b 洲j r i 帆p ，羚盯 - 1 8 0 2 5 0 0 0 p 取c o l d ) o ，p c t - 1 4 0 4 0 0 0 麴哩k 曼i 越墼盥。一曼戮。一! 塑塑 将p b t i o j ，p b z r o j 和弛豫铁电体复合，可以得到如图卜6 所示的三元体系 v b ( n l b j ) o 3 + p b z r o 3 ；m p bi p b t i o 3 图1 - 6 三元体系的准同型相界 f i g 1 - 6m o r p h o t r o p i cp h a s eb o u n d a r yo ft e r n a r ys y s t e m 第一章绪论 相图。从图中可以看到，在p z t 和弛豫铁电体一p 6 n o j 中的准同型相界仅有一 个点( m p bi ，m p b i i ) 可供配方设计，而在三元体系中却有整条准同型相界线 ( m p b ) 可供选择。三元体系中可供选择的组分范围更为宽广，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 变压器用陶瓷材料设计u “。 除了压电性能优异之外，三元系压电陶瓷与p z t 相比，还具有工艺性能好的 优点。由于多种氧化物的出现，使最低共熔点降低，因而使陶瓷的烧结温度降低， 也就使烧结过程中铅的挥发减少，故在多元系压电陶瓷中能较好地控制铅的含量。 由于多种化合物形成固溶体的过程中，自由能有所降低，故能促进烧结进行，再 加上在固相反应完成之前，各种异相物质的存在可以抑制局部晶粒的过分长大， 故通常较易获得均匀、致密、含气孔率少、机械强度比较高的压电陶瓷。这对大 功率的压电变压器更为有利。 p b ( m n j 坩s 矗2 j j o j 和p b ( m n j ，j n b 2 j ) 0 j 是文献报道最多的用于提高压电陶瓷功 率特性的弛豫铁电体组元。少量的p b ( m n j j s b z j ) o ，或p b ( m n f ，j n b 2 坩j d ，的加入可 以使压电陶瓷的q 。值高于2 0 0 0 ，且其它压电参数不恶化；当添加量( 摩尔分数) 超过1 5 时，则会有恶化压电和介电性能的焦绿石相出现。这类体系的压电陶瓷 烧结温度一般很高( 1 2 0 0 ) ，因此可以通过加入p n w 、p z n 、p n n 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。另外，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。采用微细晶粒的材料，可使材料的机械强度 比通常的材料提高一倍以上。因为对细晶陶瓷来说，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c e 0 2 形 成细晶陶瓷来改善。c e 0 2 是一种“软硬兼有的添加物”，除了可以抑制晶粒生长， 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。 例如，y o o j h ，h w a n gs m 等人在p m n p z t 材料中加入微量的p n n 固溶体， 得戮戡分为p b l ( n i l f 3 n b 2 ，3 ) o o l ( m n l s n b z 3 ) o 鹏( z r o s o s t i o 4 9 5 ) 0 9 d o s4 - o 5 w t p b o 钓 压电材料，不但可以提高材料的介电常数和机电耦合系数，还可以降低材料的烧 结温度 2 9 1 。在p n w p m n p z t 材料中掺入适量的珊d 、f e 2 0 j 和c e 0 2 烧结出成 分为p b o 9 4 s r o 0 6 ( n i l 2 z ) o 0 2 ( m n l j n b z 3 ) o 0 7 ( z r o s l t i o 4 9 ) 0 9 t o s - - 0 5 w t p b o - - 口3 w t f e 2 0 j - - o 2 5 w t c e 0 2 的高介电常数、高机械品质因数和谐振频率温度稳定 性好的压电变压器材料，。 四、压电变压器陶瓷材料的低温烧结 在实用化压电陶瓷材料中，含铅系压电陶瓷占主导地位，其烧结温度大都在 华南理工大学硕士学位论文 1 2 5 0 1 3 5 0 。由于高温时p b o 挥发严重，导致化学计量比偏离，性能下降， 且污染环境。目前常用的密封烧结法、气氛片法、埋粉法、过量p b o 法等只是为 了保证配方中的化学计量比不变，不能从根本上消除p b o 挥发。抑制p b o 挥发 积极而有效的方法是实现压电陶瓷的低温烧结，这也是压电变压器陶瓷材料的一 个重要发展趋势。 实现压电陶瓷材料的低温烧结的途径主要有：添加助熔剂、化学合成法和热 压法1