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高性能压电变压器用多元系陶瓷的制备和性能研究

侯育冬  
【摘要】: 本文根据高品质压电陶瓷变压器的性能要求,从材料的准同型相界组成,复相陶瓷烧结技术,“硬性”掺杂,过渡液相烧结机制等方面分析和讨论了提高压电陶瓷机械品质因数Q_m,电学品质因数Q_e和机电耦合系数K_p,改善压电陶瓷谐振频率温度稳定性TCf_r以及降低烧结温度的可能性和途径,提出了适用于压电变压器的多元系陶瓷材料的成分选择与设计规则。在该规则的指导下,设计了Pb(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O_3-PbZrO_3-PbTiO_3三元系压电陶瓷(缩写为 PZN-PZT)和Pb(Mn_(1/3)Nb_(2/3))O_3-Pb(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O_3-PbZrO_3-PbTiO_3四元系压电陶瓷(缩写为PMN-PZN-PZT)配方。 采用二次合成法分别制备了PZN-PZT三元系压电陶瓷和PMN-PZN-PZT四元系压电陶瓷,系统研究了制备工艺(烧结温度和PbO保护气氛),MnO_2、CuO掺杂和PMN相对含量对PZN-PZT三元系压电陶瓷和PMN-PZN-PZT四元系压电陶瓷的相结构、显微组织以及介电性能和压电性能的影响规律。通过调整配方制备出了性能优良,适于压电变压器使用的硬性压电陶瓷材料并制作了压电变压器模拟样件,研究了其老化行为。主要内容如下: 在对文献研究和实验工作基础上,提出了压电变压器用陶瓷材料的成分选择与设计规则:压电陶瓷变压器需要高居里温度T_c,因而压电陶瓷成分中高居里点的PbZrO_3(PZ)和PbTiO_3(PT)含量应相对较高,此外由于准同型相界(MPB)附近压电活性高(K_p,d_(33)高),因此配方主成分组成应在靠近三元相图底线(PZ-PT)的准同型相界附近寻找。需要注意的是由于MPB处的配方工艺重复性差,因此配方主成分的组成应在靠近MPB的四方相一侧。机械品质因数Q_m和电学品质因数Q_e与压电变压器的升压比和工作稳定性密切相关,可通过“硬性”掺杂限制电畴活性来提升体系的Q_m和Q_e。另外,添加Pb(Mn_(1/3)Sb_(2/3))O_3、Pb(Mn_(1/3)Nb_(2/3))O_3这类大功率组元也可以大幅度提升Q_m。压电变压器是在谐振频率状态下工作,因此还需要较高的谐振频率温度稳定性。可以通过设计复相陶瓷,利用不同组元谐振频率温度系数的互补性或添加稳定剂SrCO_3、BaCO_3、La_2O_3和Fe_2O_3等来改善压电陶瓷的频率温度特性。变压器用压电陶瓷还需要较高的介电常数,这可以通过添加Pb(Zn_(1/3)Nb_(2/3))O_3,Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_3,Pb(Ni_(1/2)W_(1/2))O_3等高介电常数弛豫铁电体组元实现。压电陶瓷变压器的片式多层化需要低烧结温度的压电陶瓷材料以匹配低成本的银钯电极浆料,利用具有过渡液相烧结机制的玻璃料作为助溶剂可以在不劣化性能的同时大幅降低烧结温度。 在以上规则的指导下,我们设计了PZN-PZT三元系和PMN-PZN-PZT四元系压电陶瓷配方并从微观结构和宏观性能两方面系统进行了实验。 应用二次合成法制备了纯钙钛矿相的PZN-PZT三元系压电陶瓷,详细研究了Mn掺杂的作用机制。研究发现掺锰由于可以消减Zn-O键强度,导致Zn-O键 侯育冬 西北工业大学博士学位论文 长增大从而有利于稳定 PZN纯钙钛矿相结构。锰离子由于姜一泰勒效应(Jahn. Teller effect)引起了 PZNFZT体系的晶格畸变,随锰含量的增加,体系的相结构 由四方相逐渐向三方相过渡。居里温度随锰含量的增加而下降,表明PZN-PZT 体系中Mn-O之间的弱耦合导致陶瓷铁电态稳定性的降低。锰掺杂还有利于PZN- PZT陶瓷的致密烧结和晶粒的长大,这是由于锰对高价离子(Tri+,Zr’”)的取代 引起氧缺位从而使烧结过程中的物质传递激活能大大降低所致。1050C烧结时, PZNPZT体系中锰的溶解度约为ZM%,超过溶解度,锰将在晶界富集抑制晶粒 的生长并导致体系致密度的下降。 压电性能方面,锰离子主要以二价和三价的形式对陶瓷进行硬性取代。适量 的锰掺杂使 PZNPZT体系的机械品质因数 QM上升和介电损耗 tan 6下降,同时 瓷体较高的致密度又保证了机电耦合系数乓不致降低。 随烧结温度的升高(>门00℃),*ZN-**T陶瓷的微观形貌出现非晶相,非 晶相的出现与氧化铅保护气氛的施加有关。实验表明,加铅气氛保护的试样在研 究的烧结温度范围内(1050~1200℃)具有良好的微观形貌,晶粒大小均匀、致 密,综合压电性能优于未加铅气氛保护的试样。在实验工作的基础上,提出了非 铅气氛下压电陶瓷的液相烧结机制。此外,掺锰 05wt%的 PZN-PZT陶瓷可于 1000 ℃烧结致密,且具有最优的压电性能:~厂h 1241 tan40刀02,Kp 0石2,么 1364,ds。315PC·N”‘,To 320C,适合作为多层压电陶瓷变压器(MPT)材料使 用。 为了进一步降低PZN-PZT体系的烧结温度,使其可与纯银内电极浆料匹配, 我们以CUO为烧结助剂进行了低温烧结实验。结果表明:900℃可以合成纯钙钛 矿相结构的PZN-PZT陶瓷,低温合成与液相烧结机制相关。此外,由于CllO在 陶瓷晶格中的溶解度很小,大量的CllO富集于晶界抑制了晶粒生长。Cll离子由 于 d‘构型也会发生姜一泰勒效应(Jahn-Teller effect)而引起体系的晶格畸变,随 CllO含量的增加,体系的相结构由四方相向三方相过渡。 CUO的添加引起陶瓷体系介电性能显著劣


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