大功率变压器用压电陶瓷的机电性能及低温烧结研究

摘要

大功率多层压电陶瓷变压器要求压电陶瓷材料在较低的烧结温度下具有高的机械品质因数Qm，高的机电耦合系数Kp，高的压电常数d33和低的介质损耗tan。为了实现上述要求，本文从陶瓷的制备技术、材料的组分设计和低温烧结三方面研究了PMS-PNW-PZT四元系压电陶瓷材料。
　　 研究了Zr含量和烧结温度变化对PMS-PNW-PZT四元系压电陶瓷相结构、显微组织和机电性能的影响。结果表明，Zr/Ti=49/51，烧结温度为1225℃的样品综合性能最佳。此时εT33/ε0=1855，tanδ=0.43％，d33=336pC/N，Kp=0.64，Qm=1912。并发现在烧结过程中，Mn元素以Mn3+形式进入晶格，晶胞参数减小，随着烧结温度的升高，Mn3+逐渐转化为Mn2+，晶胞参数增大。
　　 为了进一步提高材料的综合电性能，研究了PNW含量和烧结温度对Pb0.95Sr0.05(Mn1/33Sb2/3)0.06-(Ni1/2W1/2)x-(Zr0.49Ti0.51)0.92O3四元系压电陶瓷相结构、显微组织和机电性能的影响。结果表明，综合材料的各项性能，PNW=0.02，烧结温度为1225℃的样品性能最佳。此时εT33/ε0=1957，tanδ=0.28％，d33=343pC/N，Kp=0.62，Qm=2511。
　　 为了实现陶瓷的低温烧结，采用为CuO为掺杂，详细地研究了CuO含量对压电陶瓷相结构、显微组织的影响及对陶瓷机电性能的影响。结果表明CuO的加入将烧结温度从1225℃降为970℃。掺杂CuO的样品均能获得钙钛矿结构。当烧结温度为970℃，CuO掺杂量为0.7wt.％时，可以获得低温烧结的综合性能最佳的陶瓷材料。此时εT33/ε0=1645，tanδ=0.75％，d33=255pC/N，Kp=0.44，Qm=1500。
　　 由于固溶体的固溶度有限，只有部分的氧化铜的能够进入晶格，Cu2+取代(Ti,Zr)4+，c轴长度减小，a轴增大，c/a下降。剩余的氧化铜在晶界处富集，提高了境界的强度和陶瓷的致密度。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1压电变压器发展现状及其对压电材料的要求

1.2大功率压电陶瓷性能的改进的方法

1.2.1调节锆钛比

1.2.2掺杂改性

1.2.3开发新的材料体系

1.2.4探索新的制备工艺

1.3压电陶瓷的低温烧结技术

1.3.1添加助熔剂降低烧结温度

1.3.2化学合成法降低烧结温度

1.3.3降低烧结温度的各种方法的比较

1.4课题提出的意义及研究的内容

第二章实验过程及测试

2.1原料及设备

2.2工艺选取

2.3性能测试及仪器装置

2.4.1相对介电常数εT33/ε0及介电损耗tanδ

2.4.2压电应变常数d33

2.4.3机电耦合系数Kp和机械品质因数Qm

2.4.4弹性柔顺系数SE11、机电耦合系数K31、压电系数d31的测量

2.4.5显微及其相组成

2.4.6体积密度和气孔率

第三章PMS-PNW-PZT压电陶瓷准同型相界附近的性能的研究

3.1锆钛比对压电陶瓷性能的影响

3.1.1物相分析

3.1.2显微形貌分析

3.1.3机电性能

3.2烧结温度对压电陶瓷性能的影响

3.2.1物相分析

3.2.2显微形貌分析

3.2.3机电性能

3.3本章小结

第四章PNW组分变化对压电陶瓷显微结构与机电性能的研究

4.1 PNW含量对压电陶瓷性能的影响

4.1.1物相分析

4.1.2显微形貌分析

4.1.3机电性能

4.2烧结温度对压电陶瓷性能的影响

4.2.1物相分析

4.2.2显微形貌分析

4.2.3机电性能

4.3本章小结

第五章PMS-PNW-PZT压电陶瓷的低温烧结研究

5.1物相分析

5.2显微形貌分析

5.3机电性能

5.4本章小结

第六章结论

参考文献

致谢