專利名稱：用鐵酸鉍-鈦酸鉛系壓電陶瓷制備高溫、高功率壓電變壓器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用鐵酸鉍-鈦酸鉛系壓電陶瓷制備高溫高功率密度壓電變壓器的方法。屬無機(jī)非金屬材料和電子器件設(shè)計與制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電變壓器是一種利用壓電陶瓷的電-機(jī)-電耦合效應(yīng)來實現(xiàn)變壓的電子器件。由于其轉(zhuǎn)換效率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、不易燃的特點被廣泛的應(yīng)用到液晶顯示(LCD)、平板顯示(LED)、空氣凈化、復(fù)印設(shè)備等電子設(shè)備的驅(qū)動電路中。現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的是具有較高升壓比的Rosen型壓電變壓器，但其功率密度一般小于2 W/cm3，不適合在大功率電 路中應(yīng)用。而在電子設(shè)備不斷向高功率化以及集成化方向發(fā)展的趨勢下，圓片型和圓環(huán)型壓電變壓器由于具有較高的功率密度而受到關(guān)注。1973年Berlincourt等人首次研制出具有單一極化方向的圓片型壓電變壓器。隨后，Laoratanakul等人用硬性PZT陶瓷制備出單向極化圓片型壓電變壓器，成功地驅(qū)動了壓電馬達(dá)，其功率密度為3. 5 W/cm3。2004年P(guān)riya和Uchino等人研制出圓片型單向極化的三層和單層壓電變壓器的功率密度分別為25和40 W/cm3，后者代表了目前壓電變壓器可以達(dá)到的最大功率密度。提高壓電變壓器功率性能的關(guān)鍵是研制出具有優(yōu)越的壓電性能和機(jī)械性能的大功率壓電材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是制備一種可以在高溫下工作、具有高功率密度的壓電變壓器，SP利用BLF-PTM (鐵酸鉍鑭-錳鈦酸鉛)硬性壓電陶瓷制備高溫、高功率壓電變壓器。一種用鐵酸鉍-鈦酸鉛系壓電陶瓷制備高功率壓電變壓器的方法，其特征在于具有以下的過程
a.BLF-PTM壓電陶瓷片的制備按現(xiàn)有已知技術(shù)方法制備(1).按照0. 6 (Bia9La0.)FeO3-O. 4Pb (Tia99Mnatll) O3的化學(xué)計量比，即以五水硝酸鉍、九水硝酸鐵、六水硝酸鑭、鈦正四丁脂、醋酸鉛和醋酸錳為原料，以乙二醇為溶劑攪拌10小時配置溶膠；然后把制得的溶膠在70 0C下烘干、研磨成粉，并在600 0C高溫下煅燒2小時，得到BLF-PTM納米粉；(2).納米粉造粒，并在120 MPa壓力下壓成圓片；最后利用兩步法進(jìn)行燒結(jié)；先升溫到1070 0C,然后降溫到800 0C保溫2小時，隨后隨爐降到室溫，制得BLF-PTM陶瓷；(3).將BLF-PTM壓電陶瓷片研磨、拋光，得到厚度為0. 55mm、直徑為10 mm的陶瓷圓片；
b.覆蓋銀漿電極在陶瓷圓片的上下表面涂高溫銀漿作為電極，下表面涂滿電極，上表面采用掩膜板得到一個圓形電極和一個環(huán)形電極，圓形和圓環(huán)之間存在一定的間隙；
c.加熱處理將涂好電極的陶瓷圓片放進(jìn)馬弗爐，在500°C保溫15分鐘，然后升溫到800 0C保溫10分鐘，最后隨爐降至室溫；
d.電場下極化把制備好電極的陶瓷片放在120°(硅油里面，沿厚度方向，在30 kV/cm的電場下極化30 min ;極化后的陶瓷圓片就是一個單向極化的圓片型壓電變壓器；圓環(huán)形的上電極為輸入電極，圓形上電極為輸出電極。本發(fā)明的優(yōu)點和特點
(1).本發(fā)明主要是利用Mn、La摻雜鐵酸鉍-鈦酸鉛(BLF-PTM)壓電陶瓷設(shè)計與制備一種能在高溫下使用的具有高功率密度的壓電變壓器，其特征在于 (2).本發(fā)明利用一種新的BLF-PTM硬性壓電材料制備具有高功率密度的單向極化圓片型壓電變壓器。(3).本發(fā)明中的高功率壓電變壓器具有單一極化方向，底電極及其相反面上的輸入和輸出端的電極作為耐高溫電極。(4).本發(fā)明中的雅典變壓器可以在較高的溫度下工作，并且在室溫至300 °(溫度區(qū)間工作時，具有較大的功率密度。


圖I本發(fā)明中的壓電變壓器平面圖以及上電極的形狀和尺寸。圖2本發(fā)明中的壓電變壓器的截面圖以及極化方向。圖3本發(fā)明中的壓電變壓器輸入與輸出電路示意圖。圖4本發(fā)明中的壓電變壓器的性能測試系統(tǒng)示意圖。圖5本發(fā)明中的壓電變壓器在室溫下匹配負(fù)載時不同輸入電壓下的功率密度以及升溫。圖6本發(fā)明中的壓電變壓器在不同溫度匹配負(fù)載時不同輸入電壓下的功率密度。
具體實施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。
實施例本實施例中BLF-PTM壓電陶瓷制備高功率壓電變壓器的步驟如下
I.以五水硝酸鉍、九水硝酸鐵、六水硝酸鑭、鈦正四丁脂、醋酸鉛和醋酸錳為原料，以乙二醇為溶劑，按照0. S(Bia9Laai)FeO3-O. 4Pb (Tia99Mnatll)O3化學(xué)計量比的組分，把原料溶于乙二醇中攪拌10小時；然后把制得的溶膠在70 °C下烘干。烘干后的溶膠研磨成粉并在6000C下煅燒2小時，得到BLF-PTM納米粉。2.納米粉造粒，并在120 MPa壓力下壓成直徑為120mm的圓片；最后利用兩步法進(jìn)行燒結(jié)，先升溫到1070 °C然后降溫到800 °C度保溫2小時，隨后溫度隨爐降到室溫制備出BLF-PTM陶瓷。3.將BLF-PTM壓電陶瓷片研磨、拋光，得到厚度為0. 55 mm，直徑為10 mm的陶瓷圓片。4.在陶瓷圓片的上下表面涂高溫銀漿作為電極，下表面涂滿電極，上表面采用掩膜板得到一個圓形電極和一個環(huán)形電極，圓形和圓環(huán)之間存在一定的間隙，具體形狀和尺寸如圖I所示，其中I為圓形電極部分，2為環(huán)形電極部分。將涂好電極的陶瓷圓片放進(jìn)馬弗爐，在500 °C保溫15分鐘，然后升溫到800 0C保溫10分鐘，最后隨爐降至室溫。
5.把制備好電極的陶瓷園片放在120 °(硅油里面，沿厚度方向，在30 kV/cm的電場下極化30 min，極化方向如圖2所示。極化后的陶瓷圓片就是一個單向極化的圓片型壓電變壓器。6.本發(fā)明壓電變壓器的平面圖及其截面圖如圖I和圖2所示。本發(fā)明中的壓電變壓器的輸入與輸出電路如圖3所示，圓環(huán)形的上電極2為輸入電極，圓形上電極I為輸出電極。性能測試
本發(fā)明中所得高溫大功率壓電變壓器的性能測試
圖4為本發(fā)明中壓電變壓器的性能測試示意圖。信號發(fā)生器產(chǎn)生的交流信號通過功率放大器放大后作為輸入信號施加到變壓器的輸入端，由壓電變壓器輸出端輸出的交流信號作用到負(fù)載電阻上，采用示波器探測輸入和輸出信號的波形以及大小。本發(fā)明中的壓電變壓器工作時的表面溫度由非接觸式紅外溫度探測儀來測量。測量變壓器的高溫性能時，把壓電變壓器放在高溫爐內(nèi)，變壓器的輸入輸出端用耐高溫導(dǎo)線連接。I)室溫下的功率性能及升溫
圖5為本發(fā)明中的壓電變壓器在室溫下匹配負(fù)載時不同輸入電壓下的功率密度以及升溫。隨著輸入電壓的不斷增加，壓電變壓器在匹配負(fù)載下的功率密度不斷增加，當(dāng)功率密度大于10 W/cm3出現(xiàn)明顯的升溫現(xiàn)象。當(dāng)壓電變壓器升溫20 °(時，其功率密度為30 W/cm3。相同升溫情況下，PZT大功率陶瓷制備的圓片型大功率壓電變壓器的最大功率密度一般為 20 W/cm3。2 )高溫下的功率性能
圖6為本發(fā)明中的壓電變壓器在不同溫度匹配負(fù)載時不同輸入電壓下的功率密度。在不同的溫度下，匹配負(fù)載下的功率密度均隨著輸入電壓的增加而增加。在200 °C以下，壓電變壓器的功率密度達(dá)到27 W/cm3。當(dāng)溫度高于200 °C時，壓電變壓器的最大功率密度隨著溫度的升高而減少較快，其在250 °C時的功率密度可達(dá)到20 ff/cm3,300 °C時的功率密度降為14 W/cm3。當(dāng)壓電變壓器的工作溫度為350 °C時，壓電變壓器的性能大幅下降，功率密度小于5 W/cm3。本發(fā)明的壓電變壓器在300 0C以下工作時均具有較高的功率密度。權(quán)利要求
1.一種用鐵酸鉍-鈦酸鉛系壓電陶瓷制備高功率壓電變壓器的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟 a.BLF-PTM壓電陶瓷片的制備按現(xiàn)有已知技術(shù)方法制備(I).以五水硝酸鉍、九水硝酸鐵、六水硝酸鑭、鈦正四丁脂、醋酸鉛和醋酸錳為原料，以乙二醇為溶劑，按照O.6 (Bi0.^1) FeO3-O. 4Pb (Tia99Mnatll) O3化學(xué)計量比的組分，把原料溶于乙二醇中攪拌10小時；然后把制得的溶膠在70 °(下烘干；烘干后的溶膠研磨成粉并在600 °C下煅燒2小時，得到BLF-PTM納米粉；(2).納米粉造粒，并在120 MPa壓力下壓成直徑為120mm的圓片；最后利用兩步法進(jìn)行燒結(jié)，先升溫到1070 °C然后降溫到800 °C度保溫2小時，隨后溫度隨爐降到室溫制備出BLF-PTM陶瓷；(3).將BLF-PTM壓電陶瓷片研磨、拋光，得到厚度為O. 55 mm,直徑為10 mm的陶瓷圓片； b.覆蓋銀漿電極在陶瓷圓片的上下表面涂高溫銀漿作為電極，下表面涂滿電極，上表面采用掩膜板得到一個圓形電極和一個環(huán)形電極，圓形和圓環(huán)之間存在一定的間隙； c.加熱處理將涂好電極的陶瓷圓片放進(jìn)馬弗爐，在500°C保溫15分鐘，然后升溫到800 0C保溫10分鐘，最后隨爐降至室溫； d.電場下極化把制備好電極的陶瓷片放在120°(硅油里面，沿厚度方向，在30 kV/cm的電場下極化30 min; 極化后的陶瓷圓片就是一個單向極化的圓片型壓電變壓器；圓環(huán)形的上電極為輸入電極，圓形上電極為輸出電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫、高功率壓電變壓器的設(shè)計及其制備方法，屬無機(jī)非金屬材料和電子器件設(shè)計與制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明主要是利用鉍系BLF-PTM硬性壓電陶瓷設(shè)計與制備一種能在高溫下使用、具有高功率密度的壓電變壓器。在圓片形壓電陶瓷的上下表面涂高溫銀電極，上電極用掩膜板制成，中心是一個園，園的外面是一個圓環(huán)，園和圓環(huán)之間有一定的間隙。外部圓環(huán)電極作為輸入電極，中心園電極作為輸出電極。把制備好電極的壓電陶瓷片放在120OC硅油里面，在30kV/cm的電場下極化20min，得到單向極化圓片型高溫高功率密度壓電變壓器。本發(fā)明測量了不同溫度下壓電變壓器的功率密度。
文檔編號H01L41/187GK102633496SQ20121009960
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者俞圣雯, 馮磊洋, 石貴陽, 程晉榮 申請人:上海大學(xué)