CN108109844B - 压电陶瓷电容器的增容用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电陶瓷电容器的增容用途，所述的压电陶瓷电容器用于加载电压U为10‑20000V的电路而且U不高于其极化电压时，该电容器表现出伴随加载电压U的提高而具有逐步增大至3倍左右的电容值，可用作为具有增容效果的电容器。本发明为压电陶瓷的应用开辟了新市场，而且这种电容器的容重比和成本可以较大幅度下降。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷的新用途。
背景技术
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。
1946年美国麻省理工学院绝缘研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向，除去电场后仍能保持一定的剩余极化，使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。现今随着陶瓷技术的发展，压电陶瓷迅速地实用化，应用于声表面波的滤波器、延迟线、振荡器、超声换能器、高频换能器、压力传感器、谐振器等各种压电器件。
压电陶瓷中的铁电陶瓷，其自发极化的方向能随外电场方向改变。通常，铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为铁电畴。这些铁电畴在人工极化条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。如：钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、铌酸铅、改性钛酸铅、改性铌酸铅、改性锆钛酸铅等。
压电陶瓷表面一般印刷有电极，此时的压电陶瓷类似于电容器，电极为电容器极板，压电陶瓷本体为介电体。在传统知识和文献中，电容器具有固定不变的电容值，电容值只与其几何形状（厚度、表面积）和介电常数有关。部分压电陶瓷的电容器对温度比较敏感，随温度的变化介电常数和电容有线性或费线性的变化。个别研究提及铁电材料的电容受电压影响的变化，也仅仅停留在弱电下定性的分析推理，没有定量的分析结果，更没有大电压使用的情形，弱电压下电容的变化量也不大，所以基本引起学术界重视也没有推广应用价值。
现有的可变电容器，是通过改变极片间相对的有效面积、或片间距离、或片间介质，它的电容量就相应地变化。可变电容器通常在无线电接收电路中作调谐电容器用。比如申请号为2011800394440的发明涉及一种可变电容传感器，所述可变电容传感器包括：第一导电电极，其包括电互连的第一导电片；第二导电电极，其包括电互连的第二导电片，其中所述第一导电片与所述第二导电片至少部分地交错。它的电容量不能伴随电路的电性能数据而改变。
专利申请号为2004100850750的发明提供一种电压控制可变电容器，其可以在宽控制电压范围内改变其电容值，并容易地以高精度控制该电容值而不使其电路结构复杂化，以及，提供一种电压控制可变电容器，其可以以良好的线性改变其电容值。其电容量是通过控制电路对电抗器等的控制引起的。
某研究机构研究的2013800193953，涉及一种用于多层工艺中的电容器的陶瓷材料，其通式为：Pb(1-1.5a-0.5b+1.5d+e+0.5f)AaBb(Zr1-xTix)(1-c-d-e-f)LidCeFefSicO3+y·PbO(I)，其中A选自：La、Nd、Y、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Yb；B选自Na、K和Ag；C选自Ni、Cu、Co和Mn；并且0<a<0.12；0.05≤x≤0.3；0<b<0.12；0≤c≤0.12；0<d<0,12；0≤e≤0.12,0≤f≤0.12,0≤y≤1并且其中b+d+e+f>0。该申请涉及一种包括上述陶瓷材料的电容器。其中采用的反铁电陶瓷，其电容与电压有一定相关性，但是其关联度较低，电压导致的电容变化范围较小（变化后的电容值约为原值60%，未说明有放大100%以上的情形）。原因在于其材质不合理，原理没有分析清楚，未能揭示其本质。
经过试验验证，本发明的优先权申请2016110538293中的增容放大倍数等数据不太合理。
发明内容
发明目的：
本发明揭示了一种压电陶瓷随着加载电压提高而出现电容值逐步增加的现象，并可以作为可变电容器或者具有增容功能的电容器进行使用。
技术方案：
一种压电陶瓷电容器的增容用途，所述的压电陶瓷电容器具有片状、环状、圆柱壳状或聚焦碗状压电陶瓷本体以及在本体相对两表面的电极层，所述的压电陶瓷电容器采用了介于500-10000V/mm（指厚度）的极化电压进行过极化处理（具有正电极和负电极，不极化处理没有下述的增容效应），压电陶瓷本体的静态介电常数介于300-60000，厚度介于0.01-5mm（优选厚度为0.3-1mm，耐电压较高，电容较大，两者数据兼顾，实用性很强），（可以将一面的电极层在压电陶瓷本体的周边留有小于10mm宽的空白区域（增加高压绝缘效果，避免短路。当然也可以在其外围做绝缘封装，露出电极引线）。该电容器的静态电容值为C0（静态电容，能够用电容表直接测量出来，而其加载电压时的出现增容效果表现出来的电容数值C依靠电路数据的计算或分析得到）。
所述的压电陶瓷电容器用于使其两个电极层之间加载电压U为10-20000V的电路中而且U不高于极化电压时（如果高于极化电压，导致正负极翻转或者击穿，本发明不考虑这种情况下的应用），该电容器能够表现出伴随加载电压U的提高而具有（比静态电容值C0更大）增大的电容值C，用作为伴随电压提高而具有增容效果的电容器。
所述的压电陶瓷电容器用于使其两个电极层之间加载电压U为10-20000V的电路中而且U不高于极化电压一半时（加载电压不太高，基本不影响压电陶瓷的极化性能；反向加载电压高于极化电压一半时，加载时间较长时，容易导致极化性能下降，直至电容值增加后再下降），该电容器能够表现出伴随加载电压U的提高而增大（逐渐增大）的比静态电容值C0更大的电容值C，用作为伴随电压提高而具有增容效果的电容器。（对部分材质或规格的压电陶瓷电容器，电压在5-50V时，增容效果可能有所上下波动；高于50V不高于极化电压一半时均可以稳定地逐渐增加）。
所述的压电陶瓷电容器表现出的电容值与初始电容值C0的差值与电压成正变对应关系（电压提高，电容值逐渐伴随增加），差值大于其两电极层加载电压值U（实验证明，尤其U高于某个数值，比如U>10V时）的正数系数k倍（非线性变化，但是总存在一个正数系数k，伴随加载电压U的提高，该电容器的电容值逐步增大，加载电压U越高增容效果越明显），即C-C0>kU。
经过对多种压电陶瓷的测试，所述的压电陶瓷电容器用于使其两个电极层之间加载电压为10-20000V的交流电路中，0<C-C0<3C0。测试中也未出现高于4倍的情形，放大的倍数与压电陶瓷的材质性能密切相关。（优选所述的压电陶瓷电容器用于使其两个电极层之间加载电压为300-3000V的电路中，0.1 C0<C-C0<3C0，既增容效果明显又具有较高的耐压安全性）。
所述的压电陶瓷电容器用于使其两个电极层之间加载电压为10-20000V的直流或者脉冲直流电路中，压电陶瓷电容器的正电极连接电路的低电位端，负电极连接电路的高电位端，这里定义为反向加载，
压电陶瓷在传统的直流电路中使用时，要求其正极与电源正极（或电路中的高电位）连接，负极与电源负极（或电路中的低电位）连接，才能产生较好的压电性。而本发明的压电陶瓷作为增容用途使用时，在直流电路中，其正极与电源负极（或电路中的低电位）连接，负极与电源正极（或电路中的高电位）连接，其增容效果高于反向连接时。反向加载比正向加载具有更大的增容效果（正向连接的增容效果为0<C-C0<2C）。
本发明原理：压电陶瓷是多晶体，要其内部的电偶极距方向原本是杂乱无章的，经过人工极化具有了宏观压电效应。当加载交流电压U时，其内部的电偶极距随交流电频率发生着变化，电荷不仅在电极表面大量累，而且在压电陶瓷体内部的铁电筹中的晶胞上产生正负极并聚集电荷，导致电压提高带来电荷量Q增加，体现为电容数值（C=Q/U）的增加。反向加载，导致聚集的电荷数量Q高于正向加载时，因此增容效果更显著。
本发明中，所述的压电陶瓷主要为钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸铅、其它微量元素改性的钛酸钡、其它微量元素改性的锆钛酸铅等铁电陶瓷。材质比较容易制备，技术比较成熟，电学数据比较稳定，而且其增容效果比较明显。如果能采用无铅或者低铅压电陶瓷，则环保性能更有改善。
有益效果：
本发明揭示了压电陶瓷的新用途，本发明的压电陶瓷电容器的新用途，在以往的文献中均未有公开报道。为压电陶瓷的应用开辟了新市场。这种电容器具有的增容效果，使得电路设计制作时，可以选用较小的初始电容值，待电压升高时，电容值达到电路要求，大幅度降低了电容器的容量重量比（容重比）和制造成本。这种电容器的电量将随着加载电压的提高而呈现更快更多（类似二次函数）的提升，既可以在逆变器开关电路中快速放电，又可以作为高能量高功率的新能源电池开发使用。
这种陶瓷电容器用于吸收电路中时，还具有比有机薄膜电容器更高的耐温、阻燃性能，比铝电解电容具有更低的损耗，耐更高的海拔等等优点。
附图说明
图1是本发明的一种电容器加载电压与电容值的对应关系图。
图2是本发明的另一种电容器加载电压与电容值的对应关系图。
具体实施方式
实施例1：
对于厚度为1mm，介电常数为3000左右的压电陶瓷片，双面做金属电极，采用3000V的电压做极化处理，获得初始电容C0为43nf的压电陶瓷电容器。
当两个电极层之间加载交流电压U=0、50、100、200、300、400V时，通过电路数据计算获知，随着加载电压的不断提高，其电容数值C由43、61、75、96、118、136nf逐渐提升（四舍五入取整数），呈现出具有1.41-3.17倍C0电容值的显著增容效果。
如附图1所示，电容值随着加载电压U的提高而增大，所述的压电陶瓷电容器表现出的电容值与初始电容值C0的差值与电压成正变对应关系，差值不小于其两电极层加载电压值U的正数系数K=0.23(nf/V)。
实施例2：
经过试验验证，增长不可能无限增大，正向超过极化电压会击穿，反向超过极化电压其增长会迅速回落。
所述的压电陶瓷电容器具有片状压电陶瓷本体以及在本体相对两表面的电极层，压电陶瓷本体的静态介电常数介于2000-10000，厚度介于0.01-5mm，该电容器的静态电容值为C0，其特征在于：所述的压电陶瓷电容器采用了500-5000V/mm的极化电压进行过极化处理，如图2所示，所述的压电陶瓷电容器用于使其两个电极层之间加载电压U为10-20000V的电路中，而且U不高于其极化电压一半时，该电容器能够表现出具有伴随加载电压U的提高而增大的电容值C， 0<C-C0<3C0，即电容值具有逐步增容、最大增容至约3倍的性质。该电容器可以用作为随电压提高而具有增容效果的电容器。当加载电压高于极化电压时，增容效果会下降，过高时会击穿电容损坏。
Claims (1)
1.一种压电陶瓷电容器的增容用途，所述的压电陶瓷电容器具有片状、环状、圆柱壳状或聚焦碗状压电陶瓷本体以及在本体相对两表面的电极层，压电陶瓷本体的静态介电常数介于200-60000，厚度介于0.01-5mm，该电容器的静态电容值为C0，所述的压电陶瓷电容器用于使其两个电极层之间加载电压为U的电路中，其特征在于：所述的压电陶瓷电容器一面的电极层在压电陶瓷本体的周边留有小于10mm宽的空白区域，采用了500-10000V/mm的极化电压进行过极化处理；
加载电压U不高于其极化电压的一半，且加载电压U为10-20000V的交流电；
该电容器具有伴随加载电压U的提高而增大的电容值C，用作为随电压提高而具有增容效果的电容器；所述的电容值C与初始电容值C0的差值与电压成正变对应关系，电容值逐步增容，电容值C最大增容至初始电容值C0的2~4倍。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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