一種大功率壓電陶瓷材料的製作方法

2023-06-01 09:04:51

專利名稱：一種大功率壓電陶瓷材料的製作方法
技術領域：
本發明屬於壓電陶瓷材料。
用壓電陶瓷材料製造壓電陶瓷變壓器，在高壓領域內顯示出具有高升壓比，體積小，重量輕，不怕高壓擊穿，不怕短路燒毀，不用銅鐵等金屬材料，不怕受潮以及不引起電磁幹擾等優點，引起人們極大重視，目前研究出的二元系(PZT)，三元系(PCM，PSM)及其改性壓電陶瓷材料的性能在逐步變善，但其溫度特性，機電偶合係數，機械品質因數和機械強度等性能還不能滿足大功率輸出的要求，難以實現單片輸出大於40W的壓電陶瓷變壓器。例如日本住友電氣公司製作的壓電變壓器最大輸出功率為40W。(見川田雄彥，電子展望(日)，7(1970)，5;67.)中國山東大學採用改性PCM(鈮鎂鋯鈦酸鉛)材料製作的壓電變壓器最大輸出功率為19W。(朱鳳珠，物理，2(1973)，4183-190)。清華大學採用PSM(錳銻鋯鈦酸鉛)材料製作的壓電變壓器最大輸出功率5.6W。(Ferroelectrics，28(1980)402-406)本發明的目的是提供一種較理想的壓電陶瓷材料，在溫度特性，機電偶合係數，機械品質因數和機械強度等性能上都有較大提高，以滿足製造大功率輸出的壓電變壓器的要求。
本發明是這樣實現的。綜合具有不同特性的鈮鎂鋯鈦酸鉛三元系(PCM)材料和鈮錳鋯鈦酸鉛三元系(PMN)材料，組成鈮鎂酸鉛、鈮錳酸鉛、鋯酸鉛和鈦酸鉛(PMMN)的四元系壓電陶瓷，其組成為Pb(Mg1/3Nb2/3)A(Mn1/3Nb2/3)BTiCZrDO3其中A＝0.025-0.125 B＝0.025-0.125C＝0.375-0.475 D＝0.375-0.475為了進一步改善材料溫度穩定性，在上述材料基礎上，採用添加CeO2及Sr取代部分鉛進行改性，其添加和取代量分別為0.1＜CeO2＜0.5(wt%)2＜Sr＜10(克原子%)下面以實施例對本發明進一步說明。選選取A＝0.059 B＝0.066 C＝0.459 D＝0.416 CeO2＝0.2wt%，Sr＝2克原子%作為PMMN-1配方，按化學配比稱料，在球磨機內混合，混合時間為24小時;取出後進行預燒，預燒溫度為900℃，保溫2小時。預燒後粉料已成為上述配方的金屬化合物塊料。對預燒料用球磨機細磨48小時後，加入一定量粘結劑(如聚乙烯醇)，以3000kg/cm2壓力成型並進行燒結。燒結溫度較寬，可在1190℃-1250℃燒結1-2小時。燒結完畢就上銀電極進行極化，極化電壓為4KV/mm，時間為10分鐘。24小時後進行性能測試。
PMMN-1配方的壓電陶瓷材料性能見表1表一，PMMN-1配方壓電陶瓷材料的性能參數
PMMN-1配方的壓電陶瓷材料輸出功率-負載阻抗特性見

圖1;轉換功率，波節溫度-負載特性見圖2;諧振頻率-環境溫度特性見圖3。該材料機械強度大，抗拆力為1400kg/cm2左右。
以上測試結果是在單片尺寸100×25×3.6mm條件下測得的。
本發明與其他壓電陶瓷材料性能比較見表2。
表2，國內外壓電陶瓷變壓器材料主要性能比較。
用表2材料製成的壓電變壓器性能比較見表3壓電變壓器主要性能比較最大輸出功率(W) 空載升壓比(AC) 轉換效率(%) 尺寸(mm)美國 ＜5日本 ≤40 300 80 110×30×5山東大學 ＜19 450 88 120×30×2清華大學 ＜5.7 150-200 85 120×26×3湖北大學 65 780 92 100×25×3.6從以上結果看出本發明的壓電陶瓷材料，其溫度穩定性，機電偶合係數，機械品質因數，機械強度等性能都有較大提高，所以適合製造大功率壓電變壓器。在單片尺寸為100×25×3.6mm3條件下最大輸出達65W，正常連續輸出50W。該材料還可適用於其他大功率壓電器件等場合。
權利要求
1.一種大功率壓電陶瓷變壓器材料是由鈮鎂酸鉛，鈮錳酸鉛，鈦酸鉛，鋯酸鉛組成的四元系材料(PMMN)，其特徵在於組成為Pb(Mg1/3Nb2/3)A(Mn1/3Nb2/3)BTiCZrDO3其中A=0.025-0.125 B=0.025-0.125C=0.375-0.475 D=0.375-0.475
2.根據權利要求1所述的壓電陶瓷變壓器材料，其特徵在於添加一定量CeO2及Sr進行改性，其含量為0.1＜CeO2＜0.5(重量%)2＜Sr＜10(克分子%)
全文摘要
本發明是對鈮鎂鋯鈦酸鉛和鈮錳鋯鈦酸鉛進行了最佳組合和改性，從而獲得在大功率使用下性能優異的鈮鎂酸鉛，鈮錳酸鉛，鋯酸鉛，鈦酸鉛(PMMN)四元系壓電陶瓷材料。解決了大功率壓電變壓器材料問題。用本發明製作的壓電變壓器，其單片(100×25×3.6)輸出功率可達65W，正常連續輸出50W。該材料還具有工藝簡單，燒結溫度寬而低，瓷質緻密和成品率高等特點，在實際使用中已獲滿意效果。
文檔編號H01L41/187GK1061111SQ90108248
公開日1992年5月13日 申請日期1990年10月29日 優先權日1990年10月29日
發明者鄺安祥, 周桃生, 何昌鑫, 柴荔英, 謝菊芳 申請人:湖北大學