大功率压电变压器用压电陶瓷材料发展现状

材料 导报
２０ ０ ３年 ９月第 １ 卷第 ９ ７ 期
大功率压电变压器用压电陶瓷材料发展现状’
赵 鸣， 候育冬‘ 田长生， ， “
（ 西北工业大学材料科学与工程学院， １ 西安 ７０７ ； 包头钢铁学院材料与冶金科学工程系， １０２ ２ 包头 ０４１） １００
ｅ ｎ ｎｎ ｎ ｅ ｍ ｆ ｎ ｅ ｉ ｆ ｅ ｎ ｅ ｑ ａ １ ２ ｔｒ ｌ Ｍｅａ ｕｇ Ｓｉ ｃ ａｄ ｇ ｅｒ ｇ ｐｒ ｅｔ Ｂ ｏｏ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｏ Ｓｉ ｃ ａｄ ｃｎ ｕ ， ｔｕ ４１） Ｍａｅｉ ａｄ ｔｌ ｒｙ ｃ ｎｅ Ｅ ｉ ｅｉ Ｄ ａｔ ｎ ｏ ａｔｕ ｖ ｓ ｙ ｃ ｎｅ Ｔ ｈ ｉ ｅＢ ｏｏ ０ ００ ａ ｎ ｌ
０ 引言
压电变压器是根据正负压电效应的原理， 利用压电振子的 谐振特性， 由铁电陶瓷材料经烧结、 高压极化等工艺制造而成 的， 可以实现机电能之间相互转换的一种压电换能器。 由于其与 传统的铁芯线绕电磁变压器相比， 具有体积小、 重量轻、 使用时 不会击穿、 变压器本身耐高温、 不怕燃烧和不引起电磁干扰， 且 结构简单， 制作工作简便， 易批量生产等优点， 恰巧满足了当今 电子行业集成化的发展趋势。 因此， 压电变压器目 前己经被广泛 地应用于移动通讯 Ｌ Ｄ背景光源， Ｃ 静电复印机、 负离子发生器 等用途［ ’ ，〕 一。 随着压电器件的广泛应用， 在许多的应用领域内愈来愈要 求压电器件的大功率化。如 Ｌ Ｄ显示屏的大型化， Ｃ 要求其背光 电源用压电变压器的输出功率要在 ６ 以上； Ｗ 用于替代传统荧 光灯趋动电路中镇流器的压电变压器的实用化要求压电变压器 的输出功率要达到 ３Ｗ 甚至更高。 ０ 大功率压电陶瓷就是在这样 的需求之下， 在对传统压电陶瓷进行改性的基础上发展起来的， 以高机械品质因数（ ｍ）机电祸合系数（ ｐ 和低介电损耗 Ｑ 、 Ｋ）
‘ 本文受航空 基础科学 基金（ Ｇ ３４） （ ５０４资助 ０ ２
赵鸣： 生于 １７ 年， 男， ９３ 博士研究生， 主要从事压电陶瓷及器件研究 Ｅ ａ ： ｉ ｚ ＠ｔ ． 电话： ９ ３４２ ｍ ｉｐ ｌ ｍ ｏ ｃｒ ｌ ｈｉ ｐ ｍ ｏ ｎ ０ － ７０６ ２２
万方数据
大功率压电变压器用压电陶瓷材料发展现状／ 鸣等 赵
现有的科学技术条件， 短期之内是难以达到的。同时纯 Ｐ Ｔ材 Ｚ 料的Ｑ ｍ和 Ｋ 是一对相互制约的因素， ｐ 一个高， 另外一个必然 低。 所以目 前在大功率压电材料的研究领域当中， 研究者的目 光 大都集 中在锑锰酸铅 （ＭＳ ， Ｐ ） 妮锰酸铅 （ＭＮ）妮锌酸铅 Ｐ ， （Ｚ ） Ｐ Ｎ 等组元和 Ｐ Ｔ组成的三元、 Ｚ 四元或多元体系的研究上， 具体的例子如 Ｐ （ ｇ ３ｂ３ ９ ｌＮ ３）ｏＺｏ９ｉ １ ｂ ，Ｎ ２）０（ ／ ｂ ３ ｒ５Ｔ９ ６ Ｍ ／ ／ ｏ Ｍｎ ３ ／ ｏ ６ ． ． ． ５ ． ４ ４ ６
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本 Ｎ Ｃ材料的基础上利用制成的材料制备出了输出功率在 Ｅ ｌｗ 以上的压电变压器（， ｏ ，但我国在压电陶瓷的研究及应用方 １ 面的形势还是不容乐观。 由于多层压电陶瓷变压器易实现“ 小型化” 和高功率输出， 国内外的一些研究者在压电变压器的研究方面往往采取“ 多层” 结构［］ ［ 。最简单的Ｒ ｓ 型多层压电陶瓷变压器结构可以被 ５ ． ６ ｏｅ ｎ 看作是由多片单片 Ｒ ｓｎ型压电陶瓷变压器在厚度方向上复 ｏｅ 合并简化后而成的。输入端由陶瓷材料和电极材料交替层叠烧 制而成［ ， ［ 就必然涉及到陶瓷材料和电极材料之间的共烧问 １ ２ １ 题．而目 前有很多压电变压器用陶瓷材料都存在烧温过高的问 题（ １００）这样在制作多层压电陶瓷变压器的时候就不得 ＞ ０ ， １ Ｃ 不使用含贵金属把比 例较高的电极材料。 而压电变压器生产中， 电极材料的成本就要占到整个成本的 ２３ ／ 左右。所以为降低生 产成本， 压电变压器电极材料的贱金属化势在必行， 但贱金属在 高温之下的抗氧化性能极差。 由于工艺上简单且经济， 我国目 前 大多数压电器件生产厂家在生产时多采用氧化性气氛烧结。当 烧结温度在 １０℃ 以上时， １０ 贱金属如 Ｎ 等， ｉ 极易被氧化， 使电 极和陶瓷材料间的接触电阻增大， 从而对生产的器件产生极大
下工作时， 不会因为结构问题而出现损坏。 简而言之就是：双高” “ 一高 Ｑ 高 Ｋ ， 双低” ｍ、 ｐ 及“ 一低损 耗， Ｔ ｆ的材料。 低 Ｃｒ 与此同时， 从经济方面考虑， 陶瓷的烧结温
度要尽可能地ห้องสมุดไป่ตู้ 。
・４ 。 ３
２ 大功率压电变压器用压电陶瓷材料的生产
及研究现状
在压电陶瓷材料的研究方面， 我国的研究水平相对落后。 据 统计，９７ ２０ 年 ６ １９＾ ２ ０ 年间， 我国在压电陶瓷及其应用方面共 公布的专利 ６ 余项中， 本公司申请的有约 ５ 份， ０ 日 ０ 其中仅村田 株氏会社就占了其中的近 ８ 写， ０ 韩国有 ２ 我国仅有 ４ 其 项， 项， 中仅有 １ 项有望应用于压电变压器。 近几年， 虽然没有国外的其 他公司在我国提交有关压电陶瓷材料研究及应用方面的专利， 但有资料显示， 国外多家公司， 如美国压 电陶瓷（ ｍ ｒａ Ａ ｅ ｃｎ ｉ
发展现状、 各项性能的影响因紊及其成份选择原则做 出了相应 的讨论 。
关钮词 大功率 压电 变压器 压电陶瓷 材料
Ｃ ｒｅ ｔ ｖｌｐ ｎｓ Ｐｅｏｅａ ｃ Ｕｓｄ ｕ ｒｎ Ｄｅｅｏ ｍｅ ｔ ｉ ｉｚｃｒｍｉ ｎ ｓ ｅ ｆｒ ｇ Ｐ ｗ ｒ ｚ－ ｒｎｆｒ ｒ － ｏ ｅ ＰｅｏＴ ａ ｓｏｍｅ ｏ Ｈｉｈ ｉ
（ ｎ 等为特征的， ｔ Ｓ ａ ） 综合性能优越 的压 电陶瓷。
Ｉ 压电变压器的“ 大功率” 小型化” 和“ 对材料
要求
各类压电变压器（ 换能器） 都是根据正逆压电效应的原理制 成， 且都在谐振状态下工作， 工作时由逆压电效应所导致的机械 抬出功率和压电振子端头振动速度的平方成正比。所以在变压 器可以稳定工作的前提下， 提高压电变压器的输出功率， 就必须 提高压电振子端头的振动速度， 这给所用陶瓷材料提出了如下 的要求： （） 电祸合系数 Ｋ １很高的机 ｐ及大的品质因子 Ｍｏ ｄ ／ ＝ ３ （３ ｓ ） Ｋ 用以表征压电振子机电能相互转换效率， ３Ｚ ｐ ３； 要实现高的 输出功率， 材料必须有大的机电转换效率［ ［ ５ ］ （） ２低的电损耗和机械损耗， 即具有高的Ｑ 以防止压电 Ｍ， 振子在高速振动过程中产生过多的热量而对器件产生损害． （） 的性能稳定性， ３优良 如尽可能低的谐振频率温度系数 Ｔ ｆ及抗老化性能， Ｃｒ 从而保证压电变压器具有较长的稳定使用 寿命， 且在使用过程中不因损耗导致的温升而带来大的输出功 率的变化。 （） ４必须具有良 好的结构性能， 以保证器件在高速谐振状态
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的压电陶瓷。 ｍ ｒ ａ Ｐｅｏｅ ｍｃ Ａ Ｃ ８１ Ａ ｅｉ ｎ ｚｃｒ ｉ的 Ｐ －４ 可以用于制造 ｃ ｉ ａ 输出功率在 ３Ｗ 以上压电变压器， 前已经成功地应用于 日 ０ 目 常 用途的荧光灯趋动上，ｅｒｐｒ Ｆｒ ｅｍ的以Ｐ Ｔ为基的 Ｐ２ ， ｏ Ｚ ｚ４也成 功地应用于大功率换能器。虽然在我国也有研究单位在参照日
Ｐ Ｔ ＂ Ｚ ＥＩ 。
表 １ Ｐ － １ Ａ Ｃ８ 压电陶资性能 ４
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Ａ Ｃ ８ １ ｚｃｒｍｉ Ｐ ｏ ｅｔ ｓ Ｐ －４ Ｐｅｏｅａ ｃ ｐｒ ｅ ｉ ｒ ｉ 数值
特征参数
Ｐ ｚ ｅ ｍｃ ｉｏ ｒ ｉ 、 ｅ ｃ ａ ）丹麦的Ｆｒ ｐｒ ｅ ｏｅ ｒ ｍ公司都已研制出了拥有自主 知识产权的、 可用于制造大功率压电陶瓷变压器的以Ｐ Ｔ为基 Ｚ
Ａ ｓ ａｔ Ｒｐ ｄｖｌ ｍ ｎ ｏ ｓｅｃ ａｄ ｈｏ ｇ ａｄ ｅ ｒ ｄ ｏｐ ｚ ｅ ｍｃ ｓ ｒ ｅ， ｂｔ ｃ ｒ ｉ ｅｅ ｐ ｅｔ ｃ ｎｅ ｔ ｎｌ ｙ ｗｄｓ ｅ ｕｅ ｉｏ ｒ ｉｔ ｎｆ ｍ ｒｈｓ ａ ｄ ｏ ｆ ｉ ｎ ｅ ｏ ｎ ｉ ｐ ａ ｓ ｆ ｃ ａ ｒ ｏ ｃ ｅ ａ ａ ｌ ｔ ａ ｔ ｈ ｔ ｅ ｒ ｓ ｒ ｅ ｔ ａ ｈ ｈｐｗ ｒ ｓ ａ ｓｅｃ ａｎ ｓ ｉｅ ｒ ｕ ｅ ｅｔｆ ｔ ｍ ｔ ｅ ｏ ｈ ｏｔ ｓ ｏ ｔ ｎｆ ｍ ｒ ｒ ｉ － ｅ ａｄ ｌ ｉ ，ｅｔ ｇ ｃ ｒ ｉｍ ｎ ｏ ｈ ａ － ｄ ｓｉ ｆ ｙ ｆ ｏ ｆ ｉ ｐ ａ ｏ ｄ ｏ ｗ ｇ ｎ ｍ ｌ ｒ ｉ ｔ ｔ ｅ ｒ ｚ ｒ ｑ ｓ ｅ ｅ ｒ ｒ ｌ ｕｈ ａ ｈｒ ｔ ｍ ｃａｉ ｌ ｐｎ ｃｅ ｉｅｔ ｍ ｃａｉ ｌ ｌｙ ｔｒ ａ ｅ ｄ ｌ ｔｃ ｉ － ｉ ， ｃ ａ ｈ ｅ ｅ ｃ ｏ ｅｈｎ ａｃｕｌ ｇ ｆｃ ｎ ａｄ ｈｎ ａｑａｔ ｆ ｏ ａｄ ｗ ｒ ｅ ｒ ｄ ｓ ａ ａ ｓ ｓ ｉ ｇ ｌ ｒ ｅ ｃ ｏ ｉ ｏ ｆｉ ｎ ｅ ｃ ｕ ｉ ａ ｃ ｎ ｌ ｏ ｉ ｃｉ ｉ ｐ ｅ ｓ ｔ ｎ ｒ ｏａ ｆ ｑｅｃ ｔ ｐｒ ｕｅ ｆｃ ｎ． ｉｐｏｅ ｔ ｆ ｃｖｎｓ， ｅ ｎ ｔ ｐｒｔｒ ｓｏｌ ｂ ｉ ａｄ ｎｔ ｒ ｕｎｙ ｅ ｔｒ ｃｅ ｉｅｔＴ ｍ ｒｖ ｃｓ ｅ ｅｔｅｅｓｓ ｔ ｉ ｅ ｅａ ｅ ｕ ｅ ｏ ｎ ｅ ｅ ｓ ｅ ｅ ａ ｍ ｏ ｆｉ ｏ ｏ －ｆ ｉ ｉ ｒ ｇ ｎ ｍ ｕ ｈ ｄ ｌ ｅ ｄＢｓｄ ｔｅ ｖ ａａ ｓｓｓｍ ａｐｃ ｏ ｔｉａ ａ ｄ ｃｓ ｄ ｔｉｐｐｒｉ ｌ ｉ ｃｒ ｎ ｓ ｔｓ ｏ ｒ ． ｏ ｈ ａｏｅ ｌ ｅ， ｅ ｅｔ ｆ ｒ ａ ｉ ｕｓ ｉ ｈ ａｅ， ｃ ｄ ｇ ｒ ｔ ｕ ｏ ｗ ｅ ａ ｎ ｂ ｅ ｎｙ ｏ ｓ ｓ ｈ ｅ ｒ ｓ ｅ ｎ ｓ ｓ ｅ ｎｕｎ ｕ ｅ ｔ ａ ｆ ｃｉ ＇ｈ ｈ ｅ ｐ ｚｅ ｃ ｉｃ ａ ｉｄｖｌ ｍ ｎ ｅ ｏｔ ａ ｏｓ ｔ ｕｎｉ ｅｃ ｏ ｔｅ ｔ ｉ＇ｃａａ ｅ ｓ ｈ ａ ｉ ｐｗ ｒ ｏｌ ｔｃ ｍｃ ｅ ｐ ｅｔ ｒ， ｃ ｒ ｔａｉ ｌ ｃ ｇ ｈ ｈ ｍ ｅ ａｓ ｒ ｔ ｉ ｎ ｓ ｏ ｇ ｉ ｅｒ ｅ ｅ ｒ ｅ ｏ ｆ ｆ ｔ ｈ ｎ ｅ ｎ ａ ｆ ａ ｒｌ ｈ ｃ ｒ－ ｆ ｆ ｔｓａｄ ｔ ｉｆ ｉ ｃｍ ｏｉｏ ｄｓ ｎ ｉ ， ｃ ｅａ ｔ ｏ ｐｓｉ ｅ ｇ ． ｃ ｎ ｒ ｒ ｏ ｓ ｉ ｒ ｔ ｎ ｉ Ｋ ｙ ｒ ｓ ｈ －ｏ ｅ， ｏｌ ｔｃ ｓ ｒ ｅ， ｏｅ ｍｃ ｄ ｈｐｗ ｒｐ ｚｅ ｃ ｉｔ ｎｆ ｍ ｒｐ ｚｃｒ ｉ ｅｗ ｏ ｉ ｇ ｉ ｅｒ ｒ ｏ ｅ ａ ｉ ｅ ａ ｓ
摘要 随着科学技术的进步和压 电变压器在生产中的应用， 压电峋瓷变压器逐渐向“ 大功率”“ 、小型化” 方向发 展， 对压电峋瓷材料提出了 更高的要求， 简而言之就是“ 双高” 双低”即高‘ ｒ 、 Ｋ ” ，ｎ 、 Ｔ ｆ ． 及“ ， ．ｎ 高“ ｐ 和低‘ Ｓ 低“ Ｃ， 同 Ｑ ｔ ＂ ａ ＂ 时为降低生产成本， 压电陶瓷材料应具有尽可能低的烧结温度。本文即以此为中心 ， 国大功率压 电材并的生产及 对我