Свойства простых и модифицированных пьезокерамических материалов для пьезотрансформаторов

Марка материала	Добротность Qм	Коэффициент электромеханической связи		Тангенс угла потерь tg δ %	Модуль упругости Y*10^-10Па	Скорость звука м/с	Плотность ρ х 10^3кг/м^3	Точка Кюри, град	Предел прочности σРАС МПа
k33	k31
ТБ-1 ЦТС-23 ЦТССт-1 ЦТССт-5 ЦТБС-4 ЦТБС-7 ПКР-6 ПКР-8 PZT-2 PZT-4 PZT-8 ЕС-64 ЕС-69 РСМ-9 РСМ-65 РХЕ-41 РХЕ-42		0,32 0,62 0,6 0,63 0,68 0,7 0,7 0,6 0,62 0,7 0,64 0,65 0.62 0,69 0,61 0,68 0,66	0,18 0,31 0,3 0,32 0,37 0,38 0,39 0,3 0,28 0,34 0,3 0,33 0,31 0,33 0,31 0,34 0,34	1100±100 1150±150 1800±200 1400±100 2300 1400 1300 1000 1300 1050 1500 1010 1200 1300	0.7...4 0.5...1.5 0.3...2 0.6...4 0.3...3 0.5...1.5 0.3...1.0 0.4...0.9 0.4...3 0.4...1 0.5...3.0 0.5...0.8 0.2...0.8 0.2...1.5 0.2...1.0 0.2...1.0	7.5 8.5 - - - - 8.2 8.05 8.42 6.4 7.9 - -	4300 3300 3500 3500 3200 3200 3100 3500 4400 3300 3400 - - - -	5.3 7.4 7.3 7.5 7.5 7.5 8.0 7.8 7.5 7.6 7.6 7.6 7.6 7.7 7.7 7.2 7.7	- -	24.5 16.7 16.5 - - - - - -

k₃₁ – поперечный коэффициент связи, когда деформации перпендикулярны направлению полярной оси;

k₃₃ - продольный коэффициент связи, относящийся к одномерным деформациям параллельных направлению полярной оси;

Пьезокерамические составы

ЦТС (Россия)	PCM (Япония)
BaTiO3	Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3
PbTiO3	Pb(Co1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3
PbZrO3	Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3
Pb(TiZr)O3

Пьезокерамика системы PCM (Япония) представляет трехкомпонентные свинцесодержащие составы.

Тройные пьезокерамические составы системы PCM значительно превосходят немодифицированные составы ЦТС по основным электрофизическим параметрам: k_ij, Qм, g_mi

Модифицирующие добавки (MnO, LaO, FeO, Al₂O₃) позволяют существенно менять основные электрофизические параметры.

Для ПТ применяются пьезокерамические материалы с малыми потерями, вы­сокой механической добротностью и повышенными прочностными свойствами.

Синтез исходных материалов производится из промышленного химического сырья или химических реактивов указанных марок. Исходные материалы должны быть химически чистыми с содержанием основного вещества не менее 99,5... 99,8%.

Чистота исходных компонентов в значительной мере определяет разброс электрофизических параметров пьезокерамических материалов и степень их воспроизводимости.

Изменение или отклонение параметров пьезокерамики от технических усло­вий могут быть вызваны неоднородностью химического состава, отклонениями механического, температурного или электрического воздействия в процессе из­готовления.

Считается допустимым отклонение основных пара­метров от нормы не более ±5% для упругих, ±10% для пьезоэлектрических и ±20% для диэлектрических свойств пьезокерамического материала системы ЦТС.

Введение модифицирующих добавок позво­ляет варьировать в широких пределах электрофизические свойства пьезокерамики, причем их концентрация составляет всего 0,5...1,5%.

В таблице представлены данные материалов для ПТ. Параметры ПТ существенно зависят от свойств пьезоматериалов, из которых они изготовлены.

К основным требованиям следует отнести повышенные значения механической добротности Q_M, коэффициентов электромеханической связи kij и предела механической прочности на растяжение σ_рас.

Специально для ПТ была разработана пьезокерамика ЦТСС_т-5 и ЦТБС-4. Эти пьезокерамики отличаются от ЦТС-23 модифицирующими добавками окислов редкоземельных металлов, а также более простой технологией изготовления и лучшей воспроизводимостью.

Значения параметров пьезоматериалов, используемых при разработке и изготовлении ПТ должны удовлетворять следующим условиям:

k₃₁0.4, k₃₃0.7, ε^T₃₃1500, σ_РАС20 МПа, Q_М500, %, точка Кюри

Для каждого пьезоматериала существует граничное значение напряженности электрического поля Е_вх на выходе ПТ, превышение которого приводит к необратимым процессам в пьезокерамике, разогреву и деполяризации пьезопластины, возрастают диэлектрические и механические потери, что ведет к механическим разрушениям.

В результате изменяются электрофизические свойства материала, что ухудшает эффективность работы ПТ. Наибольшая нелинейность параметров наблюдается в ре­жиме холостого хода и наименьшая в нагрузочном режиме, в области максимального КПД.

Наибольший интерес представляет изучение поведения основных электрофизических па­раметров, например kзз и Q_ЭФ, в зависимости от напряженности Е_ВХ.

Так, эффективную добротность можно определить по ширине полосы АЧХ на уровне 0,707, а коэффициент kзз — по сдвигу резонансной частоты режима холостого хода и короткого замыкания (рисунок 29).

 

Рисунок 29 – Амплитудно-частотная характеристика ПТ из материала ЦТБС-4 в зависимости от сопротивления Rн при Uвх=20 В.

Зависимость выходного напряжения Uвых и КПД ПТ от тока нагрузки Iвых приведены на рисунке 30.

Рисунок 30 – Зависимость КПД и выходного напряжения ПТ от тока нагрузки: 1- ЦТС-23 2- ЦТССт-5 3- ЦТБС-4 4- ПКР-8

Максимальное значение КПД для всех исследованных ПТ колеблется от 85 до 90%.

Наибольший интерес из числа исследован­ных образцов представляют ПТ, изготовленные из материала ЦТБС-4. По сравнению с ПТ из других материалов они имеют большее значение коэффициента Ки в режиме передачи макси­мальной мощности. При работе с максимальными КПД значения Ku у них в 2 раза и более выше, чем у ПТ из других материалов. При увеличении выходной мощности до 5 Вт КПД ПТ составляет около 80%; для аналогичных образцов из других материалов при выходной мощности Р_Вых=3 Вт η = 50% и уменьшается при увеличении тока нагрузки.

На следующем рисунке представлены зависимости Ku=f (Ubx) в различных режимах работы.

Рисунок 31 – Зависимость коэффициента трансформации от входного напряжения

Пьезоматериалы для ПТ, рассчитанных на значительные токи нагрузки (в режимах η_МАХ), должны иметь максимально возможное значение коэффициента электромеханических коэффициентов kij при добротности Q_М300 и обладать стабильностью этих параметров в сильных полях.

Материалы ПТ, работающих при слабых тока нагрузки (в режимах, близких к х.х.), должны иметь большую механическую добротность (Q_M>800) или большое значение показа теля качества (k²ззQм>300).

 

Рисунок 32 – Зависимости Qэф=f(Uвх) и fр=f(Uвх)

Существует возможность управления значением Q_M материала ЦТБС-4 введением специаль­ных модифицирующих добавок окислов при синтезе этих материалов, например путем введения добавки окисла марганца.

Рисунок 33 – Влияние модифицирующей добавки на электрофизические свойства материала марки ЦТБС-7

Из рисунка видно, что изменением количества добавки MnО₂ можно в широких пределах управлять величиной механических и диэлектрических потерь.

Дата добавления: 2014-01-07