升压型压电陶瓷变压器材料的研究与发展
1.概述
随着科学技术、电子产品市场的发展，电子变压器得到了广泛的应用，各种形式的电子变压器不断涌现，压电陶瓷变压器作为一种新型的电子变压器也逐步发展起来。由于压电陶瓷变压器是一种一体化的固体变压器，具有高升压比、体积小、重量轻、不怕高压击穿与短路烧毁、耐潮湿、不用铜铁材料以及不引起电磁干扰等特异性能，特别适应电子电路向集成化、片状化发展的趋势，引起人们的极大兴趣。
压电陶瓷变压器使用的是压电陶瓷材料，其发展是随着整个压电材料的研究与发展而发展起来的。压电材料及其应用取得划时代的进展，开始于第二次世界大战中发现的BaTiO3陶瓷付诸应用之后。1947年，美国S.Roberts在BaTiO3陶瓷上加高电压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性。随后，美国、前苏联、日本都积极开展应用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、音频换能器、压力传感器等计测器件以及滤波器和谐振器等压电器件的研究。以BaTiO3陶瓷作为压电变压器材料开始进行原理和实用上的研究，是由美国G.E.Motorola Zenith公司的C.A.Rosen等进行的。由于制成的压电陶瓷变压器升压比低，仅50~60倍，实用上未引起人们重视。
1955年美国国家标准局B.Jaffe等人发现了比BaTiO3更优越的锆钛酸铅压电陶瓷材料（PZT），大大加快了压电陶瓷材料的应用速度。PZT压电陶瓷的发现，不仅在许多应用领域几乎取代了BaTiO3，而且也带动了压电陶瓷变压器的研究与发展。在日本，土屋等对压电陶瓷变压器进行了进一步的理论分析与特性改良，用PZT压电陶瓷材料获得了数百倍升压比的压电陶瓷变压器，其输出功率也有了大的提高。
1960年，前苏联的T.A.Cmonehckrr等提出新型复合钙钛矿型化合物的合成法，对压电陶瓷材料的发展起了积极作用。1965年，日本松下电器公司大内等人根据Cmonehckrr法则，在PZT的基础上添加复合钙钛矿结构的第三成分铌镁酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]，研制成第一个三元系压电陶瓷材料（PCM）。此后，三元系、四元系等多元系压电陶瓷材料的研究和应用十分活跃。三元系及四元系压电陶瓷以其适用性更广、性能更为优异以及通过多自由度改变配方大幅度调节性能、工艺适应性强等特点，在滤波器、换能器、延迟线、压电点火器等诸多方面大显身手。特别是应用于压电变压器上，不仅从材料的选择上有了更大的自由，而且使制备的变压器具有高升压比、高稳定性、输出功率大等优点。
2.压电陶瓷变压器材料及今后的发展
压电陶瓷材料的应用广泛，不同用途的压电器件，对材料性能的要求也不尽相同。在压电陶瓷变压器的研究与应用开发过程中，人们不断地改进该器件的特性并完善对所用材料性能要求的认识，因而不断的有针对性的研究与发展了各种适用于压电变压器的压电陶瓷材料。
2.1压电陶瓷变压器对材料的要求
根据理论分析与实际应用中的认识，作为适用于压电陶瓷变压器的材料，应该满足以下几个基本要求：
（1）升压比和效率要求。以最常用的横-纵向压电变压器为例，其在半波谐振模式时的开路升压比为
（1）
最大效率为
（2）
最大效率时升压比为
（3）
最大输出功率时的升压比为
（4）
在（1）、（2）、（3）、（4）式中，QM为材料的机械品质因数；K31、K33为材料的机电耦合系数；1为变压器发电部分的长度；t为变压器的厚度。
由上述各式可以看出，要想得到高升压比与高效率的压电变压器，必须选择K31、K33、QM高的压电陶瓷材料。
（2）稳定性要求。压电变压器要求材料有好的稳定性，也就是说决定压电变压器能否正常工作的一些重要材料参数要具有好的温度稳定性与时间稳定性，以保证变压器在变化的环境温度和长期使用过程中，性能稳定。
（3）功率要求。压电变压器作为一种机电能量二次变换的器件，就有一个功率要求问题。即使在小功率工作状态下，也与滤波器振子不同，它在工作时既要承受大的输入输出电压，又要产生大的谐振应变，从而产生一定的介电与机械损耗。而在大功率工作状态下，该问题就更为突出。通过分析压电变压器在大功率工作状态下发生破坏的机理，认为和一般大功率压电器件类似，主要原因在于：谐振时大幅振动引起的应力破坏；动态时内摩擦和介电损耗产生的热破坏；长时间工作后的疲劳性破坏。这些都要求压电陶瓷材料具有机电耦合系数高、机械强度高、机电损耗小、耐疲劳劣化等综合性特点。
2.2压电陶瓷变压器材料
压电陶瓷变压器材料从钛酸铅到锆钛酸铅和以锆钛酸铅为基础的多元系，其发展的种类日益增多、结构渐趋复杂、性能也不断优化。
（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷材料。BaTiO3作为多晶体的陶瓷来应用，有不同于各种压电单晶体的许多优点，如容易制备、易于加工、价格低廉等，成为压电陶瓷材料发展的开端。同时，它也是最先用作压电变压器的单元系压电陶瓷材料。但是，由于其压电性能远小于锆钛酸铅，制作的压电变压器升压比低，而且居里温度也低，使用上受到了限制。因此，在作为压电变压器材料方面已基本由锆钛酸铅和以锆钛酸铅为基础的多元系所替代。
（2）锆钛酸铅[Pb（ZrTi）O3]系压电陶瓷材料。锆钛酸铅系列压电陶瓷为锆酸铅（PbZrO3）和钛酸铅(PbTiO3)的固溶体，是一种二元系的压电陶瓷材料。它在其类质异晶相界附近，属四方-菱方两相结构过渡的特殊情况，两相结构会同时共存与相互转化，有利于自发极化的转向，压电活性高。其性能可通过改变锆钛比来调节，也可通过同价元素取代和掺杂进行改性，且居里温度高，因此，直至现在，仍是人们常用的压电陶瓷材料之一。压电陶瓷变压器常用PZT中的"硬性"组成物。所谓"硬性"组成物，即在PZT的配方中添加Fe2+、Co2+、Mn2+、Ni2+等"硬性"添加物的组成。掺入这些杂质后，使材料中出现氧缺位，晶胞产生收缩，电畴壁运动比未掺杂前困难，因而材料的矫顽场增高，QM提高、介电常数介质损耗减小，性能上变"硬"，成为大功率发射型材料。另生长的作用，从而可提高材料致密度，改善其机械强度。用于压电变压器的材料配方为类似PZT-8的各种组成物。其特点是材料机电耦合系数、压电常数、机械品质因数均较高，介电损耗低、特别是强场损耗低，温度系数低，性能稳定。
1988年，清华大学化学工程系柴京鹤等报道的研究成果，开辟了压电变压器高升压比的另一途径。他们在PZT中添加MnO2的同时还添加了少量低熔玻璃（xB2O3-yBi2O3-Zcdo），使材料烧结温度从1250度降到960度，减少铅的挥发，减轻对环境的污染，且材料性能达到：Kp≥0.52~0.56，QM≥1000，ε33t/ε0=800-1200，tgδ≤5×10-3。所研制的材料已用于制备独石型多层复合结构压电陶瓷变压器，其空载升压比可高达9000倍以上。
（3）三元系压电陶瓷材料。以PZT为基础发展起来的三元系压电陶瓷材料的特点是烧结性好，烧结温度降低，因而在烧结过程中PbO挥发少，容易获得气孔率小、均匀致密的陶瓷。三元系陶瓷的性能还可在更大的范围内加以调整，加之通过同价元素取代和添加杂质等方法，能得到比PZT更为优异的压电陶瓷材料组成。所以，从60年代后期以来，其发展相当迅速。
用于压电变压器的三元系压电陶瓷材料最常见的有下述几种：
铌镁锆钛酸铅系。主要成分为xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-y PbTiO3-z PbZrO3。这种材料具有高KP、高介电常数、较大的QM值和较好的稳定性，用途广泛。适当选择主成分配比、添加微量NiO、MnO2、Fe2O3，可获得实用的压电陶瓷变压器材料配方。
铌锌锆钛酸铅系。主要成分为xPb(Zn1/3Nb2/3)O3-y PbTiO3-z PbZrO3。此材料特点是稳定性好、致密度高、绝缘性能优良、压电性能优异。在适合的主成分组成中添加少量MnO2、Ni2O3，可得到高KP、QM，低介电损耗，工艺性好的压电变压器材料组成。
碲锰锆钛酸铅系。主要成分为xPb(Mn1/2Te1/2)O3-y PbTiO3-z PbZrO3。此材料特点是在受机械压力和电负载时，压电性能衰减小，而以往的多数材料在加高的机械压力和电气负载时，压电性能的恶化严重，此种材料则大幅度地消除了这一缺点。将该材料应用于压电变压器时，即使使用10000H，特性也几乎没有变化。
锑锰锆钛酸铅系。主要成分为xPb(Mn1/3Sb2/3)O3-y PbTiO3-z PbZrO3。1968年我国压电与声光技术研究所就开始了该系压电陶瓷材料的研究，并获得了优异的压电性能。一般的压电陶瓷很难做到KP和QM两值都高，总是一个高，另一个就低，而他们研究的材料是KP和QM两值都高的压电材料，而且还具有谐振频率的时间稳定性好、损耗也小等特点。合适的材料配方特别适用于压电陶瓷变压器。
（3）四元系压电陶瓷材料。为了寻求新的高性能压电陶瓷材料，人们又在三元系的基础上发展了四元系材料。四元系压电陶瓷材料能获得高KP、高QM、高ε、高矫顽场（EC）和高机械强度，低损耗、低劣化、稳定性好、工艺性好等优点。这些优点特别有利于压电陶瓷变压器。
适用于压电陶瓷变压器的四元系材料很典型的系列有：

1984年起我们对Pb(Mg1/3Nb2/3)A(Mn1/3Nb2/3)BTiCZrD O3系压电陶瓷材料进行过系统研究，用一般国产原料获得最大输出功率为65W的压电陶瓷变压器配方组成。与国内外常用压电变压器材料比较，该材料具有高KP、QM、TC，低介电损耗，机械强度高，温度稳定性与时间稳定性好，工艺性好等优点，使得制作的压电变压器的输出功率达到一个新的水平。
2.3 今后的发展
同所有功能陶瓷材料发展一样，压电变压器材料的发展将主要体现在三个方面：一是现有材料的掺杂改性；二是寻找新材料；三是新工艺方法的研究与运用。在现有材料的改性上主要还是利用同价元素的取代和添加杂质两种方法，来探索材料掺杂改性对其结构与性能的影响，获得改性的机理与规律性认识。通过这种探索，可望更精确地掌握改性的途径，找到更好的压电变压器材料。寻找新材料方面，人们正在利用现有的实验探索方法和正在逐步发展起来的理论设计的新方法进行。目前，在美国已可用铁电唯象理论完整地描述一个压电材料系统，并用来预测新材料的性质，在材料计算机辅助设计和开拓新的材料领域有预言性作用。这将同样给压电变压器材料的发展产生重大影响。在工艺方法方面，主要是围绕获得均匀致密、高机械强度、压电活性又好的材料进行研究。高纯超细粉体的制备与利用，将是获得均匀致密压电变压器陶瓷材料的重要途径，而以溶胶-凝胶方法为代表的化学制粉方法将对此作出重要贡献。压电陶瓷用SiC晶须增韧的研究，将可能大大提高大功率压电变压器材料的机械强度。热等静压成型方法的运用，将使成瓷后的压电变压器材料内应力、气孔率大大减少。激光合成技术的研究，可望应用于压电陶瓷的粉末制备、陶瓷烧结等工艺过程，对材料性能也会产生新的影响。总而言之，新的工艺方法的研究与应用也是材料的一种改性工作，将在材料性能的提高上产生积极作用。
3 结语
压电陶瓷变压器材料的研究进展伴随整个压电材料的发展而发展，压电材料从BaTiO3发展到PZT及其它多元系系列即证明了这一点。同时，压电陶瓷变压器研究与应用开发过程中，逐步认识到的该器件本身对材料的要求也是压电变压器材料发展的一个推动力。二十多年来，我国电子陶瓷工作者在该类材料的研究与发展中，作出了积极的贡献。
压电陶瓷变压器材料的研究工作仍处于不断的发展过程中。为了提高材料性能，还需在现有材料的改性、新材料的设计与研制、工艺方法的研究与应用几个方面进行不懈的努力。可以期望，该类材料将在原有基础上不断创新与提高，为压电变压器的应用开辟更加广阔的前景。■