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基于铌钽酸钾钠陶瓷的压电变压器的研究

作　者: 吕应刚
导　师: 王春雷
学　校: 山东大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 无铅压电陶瓷 固相反应 压电性能 压电变压器 升压比
分类号: TM41
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


压电陶瓷是一类重要的功能材料,被广泛应用于制作压电超声换能器、陶瓷滤波器、蜂鸣器、各种传感器和压电高压发生器等换能器件,以及近年来被应用于纺织机械行业的双晶片结构压电选针机。由于目前实际应用的压电陶瓷主要是以锆钛酸铅（PbTiO3-PbZrO3）为主要成份的三元系材料,其中氧化铅的含量高达70%以上。铅基压电陶瓷工业在生产和使用后的处理过程中给人类的生存环境带来了不可忽视的污染,直接威胁到人类的健康。随着人们对环境保护问题的关注,解决压电陶瓷工业领域中的铅污染问题变得日益重要,所以实现压电陶瓷元器件的无铅或少铅化生产成为当务之急。本论文针对当前具有实用、环保意义的铌钽酸钾钠无铅压电陶瓷及其应用-无铅压电变压器这一典型器件,结合目前国际上该领域的研究现状,开展了较为系统深入的研究工作。本论文首先从材料设计入手,通过研究铌酸盐无铅压电陶瓷的各种物理性质和掺杂特性,寻找出综合性能优异的无铅压电陶瓷材料,并对其物理性能作出了合理的解释。其次,采用面向应用的研究思路,利用改性的压电陶瓷制备了圆盘型压电变压器。硕士期间的工作主要包含了铌钽酸盐压电陶瓷的改性研究,以及无铅材料在压电陶瓷变压器中的应用两大部分。铌钽酸盐压电陶瓷和无铅压电变压器是经过查阅大量相关科技文献而确定的研究对象,是本工作认为最有研究价值的一类无铅压电材料和具体压电器件。材料的制备方面,采用传统固相反应法制备了铌钽酸钾钠(（K,Na）（Nb,Ta）O3（简写为KNNT）系列压电陶瓷,并研究了材料的制备条件、微观结构、介电性质和压电性质。其中,基础研究部分研究了Ta含量和K,Na比例变化对陶瓷微观结构、相变、以及介电、压电性质的影响;实用研究部分针对压电变压器对压电材料性能的要求,对KNNT做了掺杂改性研究。研究发现掺入适量K4CuNb8O23（KCN）和MnO2可以大幅度提高KNNT陶瓷的机械品质因数Qm,有效降低介电损耗tgδ,使材料呈现明显的“硬”性压电陶瓷特性,从而可能替代铅基压电陶瓷在压电变压器中获得应用。最后得到了优化配方为:KNNT+1.0mol%KCN+0.5mol%MnO2的高性能压电陶瓷,其机械品质因数Qm=1563,介电损耗在测试频率1kHz下为tgδ=0.4%,机电耦合系数kp=42.2%,压电常数d33=96pC/N。采用机电等效网络方法分析了Rosen型压电变压器模型的等效电路,参考其空载升压比公式,选择适合制备变压器的改性KNNT陶瓷,制备了系列不同输入、输出电极面积比的圆盘型压电陶瓷变压器。研究了圆盘型压电变压器的阻抗特性和升压比特性,并对驱动电路做了初步研究。制备了圆盘型压电陶瓷变压器样机,并得到了超过42倍的最大空载升压比。

全文目录


摘要  8-10
Abstract  10-12
符号说明  12-13
第一章 绪论  13-24
  1.1 研究背景  13-15
  1.2 无铅压电陶瓷的研究现状  15-17
  1.3 铌钽酸钾钠压电陶瓷概述  17-19
  1.4 压电陶瓷变压器  19-20
  1.5 论文的研究内容  20-21
  参考文献  21-24
第二章 预烧温度和钽含量对KNNT陶瓷性能的影响  24-43
  2.1 KNNT陶瓷样品的制备工艺  24-27
    2.1.1 原料和配方  24
    2.1.2 工艺流程  24-27
  2.2 样品结构的表征  27-28
    2.2.1 密度测试  27-28
    2.2.2 样品的X射线衍射分析(XRD)  28
    2.2.3 微观形貌分析  28
  2.3 样品的物理性能研究  28-30
    2.3.1 介电性能的测试  28
    2.3.2 压电性能的测试  28-30
  2.4 预烧温度对KNNT陶瓷性能的影响  30-34
  2.5 钽含量对KNNT陶瓷物理性质的影响  34-40
    2.5.1 样品表面和断面SEM照片比较  35-37
    2.5.2 KNNT陶瓷的介电性能  37-38
    2.5.3 KNNT陶瓷的热稳定性研究  38-40
  2.6 本章小节  40-41
  参考文献  41-43
第三章 K、Na比及掺杂对KNNT陶瓷性能的影响  43-56
  3.1 K、Na比对KNNT陶瓷性能的影响  43-47
  3.2 KCN掺杂对KNNT陶瓷性能的影响  47-50
  3.3 KCN和MnO_2掺杂对KNNT陶瓷性能的影响  50-53
  3.4 本章小节  53-54
  参考文献  54-56
第四章 KNNT无铅压电陶瓷变压器的设计  56-78
  4.1 压电变压器的工作原理和结构  56-57
  4.2 Rosen型压电变压器等效电路的推导  57-69
    4.2.1 输入端等效电路的推导  60-65
    4.2.2 压电变压器输出部分的等效电路  65-69
  4.3 压电变压器对材料性能的要求  69-70
  4.4 压电变压器的研究  70-77
    4.4.1 压电变压器的制备  70-71
    4.4.2 阻抗特性研究  71-74
    4.4.3 升压比特性研究  74-76
    4.4.4 驱动电路的初步研究  76-77
  4.5 本章小结  77
  参考文献  77-78
第五章 结论与展望  78-80
致谢  80-81
发表论文目录和获奖情况  81-82
英文论文 Modified(K_(0.5)Na_(0.5)(Nb_(0.9)Ta_(0.1))O_3 ceramics with High Q_m  82-85
学位论文评阅及答辩情况表  85

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 变压器、变流器及电抗器 > 电力变压器
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