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压电变压器用压电材料的研制及其性能研究

作　者: 陈亚君
导　师: 刘彭义
学　校: 暨南大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 压电陶瓷准同型相界机电性能压电变压器
分类号: TM22
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

压电陶瓷材料是一种重要的功能陶瓷材料,能够实现机械能和电能之间的转化,在机械、电子和通信领域有着广泛的应用。目前压电陶瓷有两大类,分别为以锆钛酸铅为基的多元系压电陶瓷和无铅压电陶瓷。其中含铅压电陶瓷的氧化铅的含量达到60%以上,高温烧结时产生铅挥发而造成环境污染,但是由于其性能优良,无铅压电陶瓷材料还无法满足实际应用的要求的前提下,含铅压电陶瓷材料还是主流,而且还有很多探索的空间。本文主要研究压电变压器用压电陶瓷材料。压电变压器用压电陶瓷需要具备高的机械品质因数（Q_m）,高的机电耦合系数（K_p）,高的压电常数(d₃₃)和低的介电损耗（tanδ）,以获得高的转换效率和高的升压比。我们采用二步合成法制备了Pb(Zn_1/3Nb_2/3)_0.20(Zr_0.52Ti_0.48)_0.80O₃+xMnO₂压电陶瓷,探讨了不同剂量锰掺杂对陶瓷样品的相结构和机电性能的影响,实验结果表明:在1200℃下烧结2 h,可以得到处在准同型相界附近纯钙钛矿结构的压电陶瓷;随着MnO₂掺杂量的增加,试样的压电常数d₃₃和机电耦合系数K_p先增大后减小,当MnO₂掺杂量为0.2 wt.%时,d₃₃和K_p均达到最大值,分别为250 PC/N和0.52;而介电损耗tanδ持续下降,机械品质因数Q_m则持续上升,当掺杂量为0.5 wt.%时,tanδ达到最小0.0046,Q_m达到最大值为1434。以上研究结果中的压电常数和机电耦合系数还不十分理想,希望通过对以上配方进行某种“软性”氧化物的掺杂来提高压电常数和机电耦合系数。我们选择了Sb₂O₃作为掺杂剂,Sb₂O₃作为一种“软性”掺杂剂不仅可使PZN-PZT获得高稳定性和高致密性,并且可以提高其机电耦合系数和压电常数。实验结构表明:掺杂Sb₂O₃后,陶瓷样品的压电常数由原来的250 PC/N提高到302PC/N,机电耦合系数由原来的0.52提高到0.60。另外我们也探讨了压电变压器的设计方法,并结合实践设计了一款压电变压器。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-18
  1.1 引言  9
  1.2 压电效应及压电变压器工作原理  9-12
  1.3 压电变压器用压电陶瓷材料的研究现状及存在的问题  12-14
  1.4 掺杂改性的微观机制-内偏场模型  14-16
  1.5 材料配方设计原则和研究内容  16-18
第二章样品的制备及表征  18-27
  2.1 实验设备及试剂  18-19
  2.2 样品制备过程  19-21
  2.3 材料制备工艺中的应该注意的问题-铅挥发问题和球磨罐及磨球的选取问题  21-23
  2.4 陶瓷样品的性能参数及微观测量  23-27
第三章 MnO_2掺杂对PZNT相结构和机电性能的影响  27-36
  3.1 研究背景  27
  3.2 两种不同合成方法的比较  27-29
  3.3 MnO_2锰掺杂对PZNT相结构的影响  29-31
  3.4 MnO_2锰掺杂对PZNT陶瓷微观结构的影响  31-32
  3.5 MnO_2锰掺杂对PZNT陶瓷的机电性能的影响  32-35
  3.6 本章小结  35-36
第四章 Sb2O_3掺杂对PZNTM的相结构和机电性能的影响  36-43
  4.1 研究背景  36-37
  4.2 Sb_2O_3掺杂对PZNTM相结构的影响  37
  4.3 Sb_2O_3掺杂对PZNTM陶瓷微观结构的影响  37-39
  4.4 Sb_2O_3掺杂对PZNTM系压电陶瓷的机电性能的影响  39-42
  4.5 本章小结  42-43
第五章压电变压器的设计  43-50
  5.1 Rosen型压电变压器的理论等效模型  43-47
  5.2 Rosen型压电片的设计  47-49
  5.3 本章小结  49-50
第六章结论及展望  50-52
  6.1 结论  50-51
  6.2 展望  51-52
参考文献  52-56
硕士期间发表的文章  56-57
致谢  57

压电变压器用压电材料的研制及其性能研究

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