● 摘要
本文根据大功率单层压电变压器对材料的性能要求，从材料的组分选择，准同型相界组成，陶瓷的制备工艺参数，到“软性”、“硬性”掺杂剂的掺杂改性等方面分析和讨论了如何提高材料的机械品质因数Qm、压电常数d33、机电耦合系数Kp以及同时降低介电损耗tan δ和谐振内阻r的途径，设计了一种新的四元系PbZrO3-PbTiO3-Pb(Fe2/3W1/3)O3-Pb(Mn1/3Nb2/3)O3（缩写为PZT-PFW-PMN），适用于大功率单层压电变压器用的材料。主要内容如下：
首先，我们通过传统固相法制备了PZT-PFW-PMN压电陶瓷。详细地研究了Pb(Fe2/3W1/3)O3 (PFW)含量变化对陶瓷微观结构及电性能的影响，结果表明，PFW的加入有效地促进固溶体的形成，并抑制焦绿石相的生成；随着PFW含量的增加，陶瓷的Qm，Kp和d33均呈现出先升高后降低的趋势，这归于陶瓷的密度的提高和“硬性”掺杂的结果。当PFW含量处于1.5mol%～5.0mol%时，样品具有比较优良的压电性能，尤其是Pb(Fe2/3W1/3)O3含量为3.0 mol%时，样品的综合性能较优。在此基础上，我们又对该体系进行了锆钛比的调节，随着锆钛比的增加，陶瓷相结构明显从四方相过渡到菱方相；Kp，d33和εr也随之呈现先升高后降低的趋势，Qm则呈现相反的变化趋势。在准同型相界附近的四方相区，即Zr/Ti=52/48时，体系获得了较优的电性能其参数分别为：Qm=1655，Kp =0.63，d33=358pC/N，
tan δ=0.0053，r=1.027Ω，εr=1745和Tc=273C。因此我们确定组分0.90Pb(Zr0.52Ti0.48)O3- 0.03Pb(Fe2/3W1/3)O3-0.07Pb(Mn1/3Nb2/3)O3（缩写为0.90PZT-0.03PFW-0.07PMN）为本研究的基础配方。
其次，在确定了基本组分的基础上，我们对制备工艺进行了系统的研究。结果表明，粉体预烧温度的升高，有助于Pb(Zr,Ti)O3固溶体的形成。陶瓷的介电、压电性能随预烧温度的升高，变化趋势比较平缓。随着烧结温度的增加，陶瓷的密度呈现先增大后降低的趋势。此外，当烧结温度从1050C升高到1200C时，体系的介电、压电性能都有所改善。这可能与陶瓷的致密化有一定的关系。我们确定了体系的最佳预烧温度为800C，烧结温度为1200C。为了提高体系的电性能，我们又研究了过量氧化铅（铅气氛）对体系性能的影响。实验表明，适量铅的加入，不仅促进陶瓷致密化，而且优化了介电和压电性能。当 Pb3O4含量等于2.0 wt.%时，得到的陶瓷综合性能优异，其电性能参数分别为：Qm＝1743，Kp＝0.64，d33＝365 pC/N，tan δ=0.0056，r =0.997Ω。
为了进一步提高材料的介电以及压电性能，以满足单层压电变压器的工程应用。我们分别以MnCO3、Nb2O5、Fe2O3和WO3为掺杂剂，对体系进行了改性实验。实验结果表明，体系无论是缺MnCO3或缺Nb2O5，还是加入过量的MnCO3或Nb2O5，均未改善该体系的介电、压电性能。因此体系应保持原组分中锰和铌的化学计量比为最佳。适量的Fe2O3掺杂对d33、Kp和Qm都有所改善，当Fe2O3含量为0.05 wt.%时，我们得到了综合性能优异的陶瓷材料，其性能参数为：Qm＝1839，Kp＝0.61，d33＝382pC/N，tan δ＝0.0054，r＝1.006Ω。此外，由于过量WO3的加入，与体系中过量的Pb3O4在烧结时形成液相，促进了陶瓷的致密化，得到了晶界清晰、晶粒大小均匀的陶瓷。随着WO3含量的增加，体系0.90PZT-0.03PFW -0.07PMN的介电常数显著升高，Qm也有所提高。当WO3含量为0.15 wt.%时，体系具有最优的压电性能：Qm＝1882，Kp ＝0.64，d33＝351pC/N，εr＝1798，tan δ＝0.0052，r＝0.866Ω，Pr＝19.94μC/cm2和Ec＝11.98kV/cm。
最终我们筛选出了较优的两个体系，分别为: 0.90Pb(Zr0.52Ti0.48)O3-0.03PFW -0.07PMN+2.0wt.％Pb3O4+0.05wt.%Fe2O3和0.90Pb(Zr0.52Ti0.48)O3-0.03PFW-0.07PMN +2.0wt.％Pb3O4+0.15wt.%WO3，满足了大功率压电变压器在负离子发生器上的工程应用的需求。