CN101009357A - 压电陶瓷变压器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电陶瓷变压器的制作方法，包括：用掺杂MnO2、Sb2O3和Cr2O3的PZN－PZT陶瓷粉在20～50MPa的压力下进行压片；烧银电极；对压成的陶瓷片在50～200℃温度下，500V/mm～3000V/mm电场强度下极化20～40分钟，在900～1240℃温度下烧结1～3小时，形成压电陶瓷片；把若干块压电陶瓷片叠装成一体，上引线；外封装，构成压电陶瓷变压器。其升压比高，约为常规材料制备的叠层压电变压器的2倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电陶瓷变压器的制作方法。
背景技术
压电陶瓷变压器作为一种一体化的固体电子变压器，工作原理可以说是驱动器和传感器的结合：电能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换成电能。在能量的这两次转换中实现阻抗变换，在瓷片的谐振频率上获得高的电压输出。和普通电磁变压器相比，具有体积小、重量轻、不怕高压击穿与短路烧毁、耐潮湿、无噪音、不用铜铁材料以及不引起电磁干扰等优点，特别适应电子电路向集成化、片状化发展趋势的要求，从而引起了人们的极大兴趣。
制造性能优良的压电陶瓷变压器的首要问题是寻求适合的压电材料。压电陶瓷变压器采用叠层结构，是利用压电陶瓷材料的压电效应在其二次厚度扩张振动模式下工作的，它不仅要求所使用的压电陶瓷材料压电系数d33大、机电耦合系数Kp高、相对介电常数εr小、机械品质因数Qm高、介电损耗tanδ小和居里温度TC高，而且要求稳定性和致密性好。钛酸铅(PbTiO3)因具有居里点高、介电常数低、压电各向异性大等特点而成为压电陶瓷变压器的首选材料，但PbTiO3陶瓷的晶界能高、四方相矫顽场大、晶格各向异性大，而且难以用常规技术制备，特别难以烧结成瓷和进行充分的人工极化。通过适当掺杂可以提高PbTiO3压电陶瓷材料的性能，但是，现有技术的掺杂改性使Qm提高，Kp和d33值就会降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电陶瓷变压器的制作方法，通过优化铌锌酸铅-锆钛酸铅(PZN-PZT)陶瓷粉的PZN/PZT和Zr/Ti比以及金属氧化物掺杂，获得机电耦合系数Kp、机械品质因数Qm、介电损耗tanδ、稳定性和致密性较好的陶瓷粉体，作为制造叠层压电变压器的压电陶瓷材料，用于制作压电陶瓷变压器，其升压比大(531)、转换效率高(86％)。
由于PZN-PZT压电陶瓷材料的具有Qm小、Kp中等的特点，通过添加MnO2使Qm显著提高，添加Sb2O3使Kp进一步提高，添加Cr2O3进一步改善时间稳定性和温度稳定性。
本发明通过在PZN-PZT三元系压电陶瓷材料中同时添加MnO2、Sb2O3、Cr2O3等金属氧化物提高压电陶瓷材料的综合性能，制作性能参数指标适合于开发压电陶瓷变压器。
本发明的压电陶瓷变压器的制作方法，包括以下步骤：
(1)用掺杂MnO2、Sb2O3和Cr2O3的PZN-PZT陶瓷粉在20～50MPa的压力下进行压片；
(2)烧银电极；
(3)对压成的陶瓷片在50～200℃温度下、300V/mm～4000V/mm电场强度下极化20～40分钟，在900～1240℃温度下烧结1～3小时，形成压电陶瓷片；
(4)把若干块压电陶瓷片叠装成一体，上引线；
(5)外封装，构成压电陶瓷变压器；
作为优选方案，步骤(1)中所述掺杂PZN-PZT陶瓷粉是掺杂了占陶瓷粉总量的0.5～1.5wt％MnO2、0.1～0.9wt％Sb2O3和0.1～0.9wt％Cr2O3的PZN-PZT陶瓷粉。最佳掺杂量是占陶瓷粉总量的1.0wt％MnO2、0.5wt％Sb2O3和0.5wt％Cr2O3。
所述PZN-PZT陶瓷粉中，PZN与PZT摩尔比为0.1～0.4∶1。
所述PZT陶瓷粉中的Zr/Ti的摩尔比为0.47～0.56∶0.53～0.44。
所述PZT中的Zr/Ti的优化摩尔比为0.52∶0.48。
本发明与现有技术相比，有如下优点：
1)优化PZN-PZT陶瓷粉体中PZN-PZT比例和PZT中的Zr/Ti比，获得压电系数d33大于400PC/N、机电耦合系数Kp约0.65、相对介电常数εr小于5000、机械品质因数Qm大于100、介电损耗tanδ小于0.005、致密性度达0.76g/cm3的陶瓷粉体。
2)用金属氧化物MnO2、Sb2O3、Cr2O3优化掺杂的PZN-PZT的陶瓷粉的获得压电系数d33大于400PC/N、机电耦合系数Kp约0.57、相对介电常数εr小于2400、机械品质因数Qm大于500、介电损耗tanδ小于0.005、谐振频率的时间稳定性和温度稳定性τfr小于100(10-6/℃)
3)用优化金属氧化物掺杂PZN-PZT的陶瓷粉制备的叠层压电变压器的升压比高，其升压比约为常规材料制备的叠层压电变压器的2倍。
具体实施方式
实施例1
氧化物固相反应法制备陶瓷材料
(1)配制陶瓷粉：调节PZT中的Zr/Ti比(0.52∶0.48)在准同型相界(MPB)获得高活性PZT陶瓷材料，用与之固溶，调节PZN与PZT摩尔比(0.2∶0.8)使其容错因子在0.9-1.1；用MnO2、Sb2O3、Cr2O3对PZN-PZT的陶瓷粉掺杂，掺杂量分别占陶瓷粉总量的1.0wt％、0.5wt％、0.5wt％；
(2)陶瓷粉在50MPa的压力下进行压片；获得压电系数d33＝421 PC/N、机电耦合系数Kp＝0.57、相对介电常数εr＝2310、机械品质因数Qm＝507、介电损耗tanδ＝0.004、谐振频率的时间稳定性和温度稳定性τfr＝90(10-6/℃)的陶瓷片；
(3)烧银电极；
(4)对压成的陶瓷片在200℃温度下，3000V/mm电场强度下极化20分钟，在1240℃温度下烧结1小时，形成压电陶瓷片；
(5)把若干块压电陶瓷片叠装成一体，上引线；
(6)外封装，构成压电陶瓷变压器；
该压电陶瓷变压器升压比约为常规材料制备的叠层压电变压器的2倍。
实施例2
氧化物固相反应法制备陶瓷材料
(1)配制陶瓷粉：调节PZT中的Zr/Ti比(0.47∶0.44)在准同型相界(MPB)获得高活性PZT陶瓷材料，用与之固溶，调节PZN与PZT摩尔比(0.1∶1)使其容错因子在0.9-1.1；用MnO2、Sb2O3、Cr2O3对PZN-PZT的陶瓷粉掺杂，掺杂量分别占陶瓷粉总量的1.5wt％MnO2、0.1wt％Sb2O3和0.9wt％Cr2O3；
(2)陶瓷粉在20MPa的压力下进行压片；获得压电系数d33＝412 PC/N、机电耦合系数Kp＝0.58、相对介电常数εr＝2280、机械品质因数Qm＝517、介电损耗tanδ＝0.003、谐振频率的时间稳定性和温度稳定性τfr＝90(10-6/℃)的陶瓷片；
(3)烧银电极；
(4)对压成的陶瓷片在50℃温度下，500V/mm电场强度下极化40分钟，在900℃温度下烧结3小时，形成压电陶瓷片；
(5)把若干块压电陶瓷片叠装成一体，上引线；
(6)外封装，构成压电陶瓷变压器；
该压电陶瓷变压器升压比约为常规材料制备的叠层压电变压器的1.9倍。
实施例3
氧化物固相反应法制备陶瓷材料
(1)配制陶瓷粉：调节PZT中的Zr/Ti比(0.56∶0.53)在准同型相界(MPB)获得高活性PZT陶瓷材料，用与之固溶，调节PZN与PZT摩尔比(0.4∶1)使其容错因子在0.9-1.1；用MnO2、Sb2O3、Cr2O3对PZN-PZT的陶瓷粉掺杂，掺杂量分别占陶瓷粉总量的0.5wt％MnO2、0.9wt％Sb2O3和0.1wt％Cr2O3；
(2)陶瓷粉在30MPa的压力下进行压片；获得压电系数d33＝425 PC/N、机电耦合系数Kp＝0.65、相对介电常数εr＝2314、机械品质因数Qm＝508、介电损耗tanδ＝0.005、谐振频率的时间稳定性和温度稳定性τfr＝90(10-6/℃)的陶瓷片；
(3)烧银电极；
(4)对压成的陶瓷片在100℃温度下，1500V/mm电场强度下极化30分钟，在1040℃温度下烧结2小时，形成压电陶瓷片；
(5)把若干块压电陶瓷片叠装成一体，上引线；
(6)外封装，构成压电陶瓷变压器；
该压电陶瓷变压器升压比约为常规材料制备的叠层压电变压器的1.8倍。
实施例4
氧化物固相反应法制备陶瓷材料
(1)配制陶瓷粉：调节PZT中的Zr/Ti比(0.49∶0.51)在准同型相界(MPB)获得高活性PZT陶瓷材料，用与之固溶，调节PZN与PZT摩尔比(0.3∶1)使其容错因子在0.9-1.1；用MnO2、Sb2O3、Cr2O3对PZN-PZT的陶瓷粉掺杂，掺杂量分别占陶瓷粉总量的1.0wt％MnO2、0.6wt％Sb2O3和0.4wt％Cr2O3；
(2)陶瓷粉在20～50MPa的压力下进行压片；获得压电系数d33＝415 PC/N、机电耦合系数Kp＝0.59、相对介电常数εr＝2314、机械品质因数Qm＝506、介电损耗tanδ＝0.003、谐振频率的时间稳定性和温度稳定性τfr＝90(10-6/℃)的陶瓷片；
(3)烧银电极；
(4)对压成的陶瓷片在150℃温度下，1000V/mm电场强度下极化25分钟，在1140℃温度下烧结3小时，形成压电陶瓷片；
(5)把若干块压电陶瓷片叠装成一体，上引线；
(6)外封装，构成压电陶瓷变压器；
该压电陶瓷变压器升压比约为常规材料制备的叠层压电变压器的1.9倍。
Claims (6)
1、一种压电陶瓷变压器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)用掺杂MnO2、Sb2O3和Cr2O3的PZN-PZT陶瓷粉在20～50MPa的压力下进行压片；
(2)烧银电极；
(3)对压成的陶瓷片在50～200℃温度下，500V/mm～3000V/mm电场强度下极化20～40分钟，在900～1240℃温度下烧结1～3小时，形成压电陶瓷片；
(4)把若干块压电陶瓷片叠装成一体，上引线；
(5)外封装，构成压电陶瓷变压器。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述掺杂MnO2、Sb2O3和Cr2O3的PZN-PZT陶瓷粉是掺杂了占陶瓷粉总量的0.5～1.5wt％MnO2、0.1～0.9wt％Sb2O3和0.1～0.9wt％Cr2O3的PZN-PZT陶瓷粉。
3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述PZN-PZT陶瓷粉中，PZN与PZT摩尔比为0.1～0.4∶1。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述PZT陶瓷粉中的Zr/Ti比为0.47～0.56∶0.53～0.44。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述PZT中的Zr/Ti比为0.52∶0.48。
6、根据要求要求5所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述掺杂MnO2、Sb2O3和Cr2O3的PZN-PZT陶瓷粉是掺杂了占陶瓷粉总量的1.0wt％MnO2、0.5wt％Sb2O3和0.5wt％Cr2O3。
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