不同压电晶体材料性质对压电变压器性能影响的研究

作     者：王磊 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张锐

授予年度：2010年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：软陶瓷 硬陶瓷 PMN-29%PT单晶 径向振动模式 压电变压器 

摘      要：以锆钛酸铅(PZT)系列压电陶瓷为代表的压电材料经过数十年的研究发展,现已广泛应用于医学、军事、工业、民用等领域,如压电变压器,压电传感器和医用超声波换能器等功能器件。但随着新型弛豫铁电单晶研究的快速发展,人们已经成功掌握制备高性能弛豫型铁电单晶的技术。目前实验数据表明铌镁酸铅钛酸铅(PMN-PT)单晶压电性能和机电耦合系数等均远远优于PZT陶瓷,这种优异的性质引起了广大铁电压电学者的极大兴趣,同时极有希望大 大提高压电器件的性能。压电变压器是利用压电材料的正逆压电效应,通过电能-机械能-电能的机电能量的二次转换实现变压的功能器件。其核心是压电材料,因而材料性能的差异直接关系到变压器件工作性能的优劣。本文系统研究了“软陶瓷PZT-5H和“硬陶瓷PZT-4、PZT-8以及PMN-29%PT单晶的材料性能差异,并从掺杂离子的不同导致铁电畴结构变化的角度分析了造成性能差异的原因。 本文在系统研究PZT-5H、PZT-4、PZT-8压电陶瓷,和PMN-29%PT单晶四种材料性质的基础上,制备了系列压电变压器来验证材料性能差异。并通过理论模拟进一步说明了实验测试的结果。性能测试结果很好显示了材料性能差异。实验结果表明在小信号下工作时材料的机电耦合系数起主要作用,PMN-29%PT单晶表现最好,尤其在匹配负载条件下工作时,PMN-29%PT单晶的功率密度最大,远优于PZT陶瓷。 迄今为止,对PMN-PT单晶径向振动模式研究很少,本文选择了径向振动模式进行研究。结果表明在径向振动模式下PMN-PT单晶同样表现出优异的性能。在谐振频率附近径向振动模式没有杂峰的影响,平面机电耦合系数(kp)也高达84%。所有这些特性表明径向振动模式下PMN-PT单晶在实际应用中是有利的,为PMN-PT单晶的应用提供广阔的前景等。