Свойства простых и модифицированных пьезокерамических материалов для пьезотрансформаторов.

Марка материала	Добротность Qм	Коэффициент электромеханической связи			Тангенс угла потерь tg δ %	Модуль упругости Y*10-10 Па	Скорость звука м/с	Плотность ρ х 103кг/м3	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	100 200 500 600 300 400 1100 1800 680 500 1000 400 960 1900 500 1000 750	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	1500 1100±100 1150±150 1000 1800±200 1400±100 2300 1400 450 1300 1000 1300 1050 1500 1010 1200 1300	2 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	9 7.5 8.5 - - 11 - - 8 8.2 8 8.05 8.42 6.4 7.9 - -	4300 3300 3500 3500 3200 3200 3100 3500 4400 3300 3400 - - - - 2000 2015	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	110 275 260 300 230 270 240 320 370 325 320 320 300 - - 315 325	24.5 16.7 19 16.5 18 18 28 30 37 26 20 - - - - - -

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:

k₃₁ 0.4, k₃₃ 0.7, ε^T₃₃ 1500, σ_РАС 20 МПа, Q_М 500, %, 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_М 300 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.