[0001] 本发明公开了一种压电陶瓷变压器材料的制备方法，属于变压器材料技术领域。

[0002] 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。目前，传统的升高或降低交变电压的途径是利用电磁变压器。它主要由铁芯及围绕铁芯的线圈组成。初级和次级线圈通过磁芯实现电磁耦合。在一些电力及大功率电子应用技术中，大型电磁变压器是非常有效的。然而，随着科学技术的发展以及电子器件小型化，电子工业中的许多应用都需要外形尺寸较小的高效元器件，因而对小型高效变压器的需求量越来越多。但是，由于其固有原因(如导体趋肤效应损失、细导线的传导损失以及磁性材料中的弛豫损耗随着变压器的尺寸减小而迅速增大等)，使得现有的电磁变压器很难实现高效小型化。目前，电磁变压器已经成为电路板上体积最大的电子器件，因而是电子器件小型化的最大障碍之一。另外，电磁变压器固有的漏磁现象及电磁辐射等对环境会造成一定污染，因而也不利于工业化应用。为了克服这一问题，实现电子器件的小型化，人们提出了压电陶瓷变压器的概念。压电陶瓷变压器基本上是由两个机械部分相互耦合而电路部分相互绝缘的压电陶瓷共振器(或压电陶瓷换能器及压电陶瓷致动器)组成。它是一种新型的电压或电流变换器件，工作原理与传统电磁变压器不同。在压电陶瓷变压器中，初级与次级之间的耦合不是通过传统的电磁效应，而是借助于机械耦合以及压电材料的压电效应来实现的。传统的变压器材料存在均匀致密性较差，机械强度低，压电活性不理想，高温烧结时能耗大、成本高、铅挥发造成环境污染和组分偏差并影响压电性能，在低温烧结时导致压电性能的降低的不足。

[0003] 本发明主要解决的技术问题：针对目前传统变压器材料存在均匀致密性较差，机械强度低，压电活性不理想，高温烧结时铅挥发造成环境污染的缺陷，本发明取硝酸铋和醋酸钠溶于醋酸溶液，再将钛酸四丁酯、无水乙醇等所得钛酸四丁酯混合液滴入硝酸铋与醋酸钠混合溶液中恒温反应，用氨水调节pH至中性再烘干，加入钛酸锂、氧化砷等混合煅烧后所得的Li2SnO3、聚乙烯醇等搅拌、制模，最后干燥并高温烧结即得压电陶瓷变压器材料，本发明所得的压电陶瓷变压器材料在受外力或受热作用后，可产生均匀应变，表现出较高的相对应变量，从而引起高压电活性，经实例证明，所得变压器制品机械强度增强，不存在铅元素，降低了高温烧结时造成的环境污染，具有广阔的应用前景。

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：（1）依次称取10～20g硝酸铋和6～8g醋酸钠加入到烧杯中，将烧杯置于水浴锅中，升温至60～70℃，再加入100～200mL质量分数为36%醋酸溶液，搅拌10～20min，得到混合溶液；
（2）称取8～12g钛酸四丁酯加入到烧杯中，再加入70～80mL无水乙醇和30～40mL乙二醇乙醚，搅拌溶解30～40min，得到钛酸四丁酯溶液，并将钛酸四丁酯溶液以1～3mL/min的速率滴加到上述混合溶液中，控制温度在80～90℃，搅拌反应2～3h，反应结束，再加入质量分数为20%氨水调节pH为7.0，得到透明凝胶，将凝胶置于烘箱中，在95～105℃干燥3～4h，随后自然冷却至室温，得到干凝胶，备用；
（3）称取6～8g钛酸锂、8～12g氧化砷加入到球磨机中，再加入100～200mL无水乙醇进行球磨2～3h，得到混合浆料，再将混合浆料置于烘箱中，在95～105℃干燥1～2h，随后将干燥物置于马弗炉中，在800～900℃煅烧3～4h，再随炉冷却至室温，得到Li2SnO3；
（4）按重量份数计，称取20～30份上述Li2SnO3、40～50份步骤（2）备用的干凝胶、200～
300份质量分数为25%聚乙烯醇、3～5份氧化镧、6～8份碳酸锰、10～12份硼硅玻璃粉、6～8份过硫酸铵和1～3份四甲基乙二胺，加入到搅拌机中，搅拌10～20min，得到陶瓷浆料，将陶瓷浆料加入到模具中，在150～200℃、20～25MPa下固化40～50min，随后脱模，得到坯料，将坯料置于高温干燥箱中，在80～90℃干燥1～2h，再将温度升高至400～500℃保温1～2h，再随炉冷却至室温，随后将物料置于烧结炉中，在1100～1200℃进行烧结，保温2～3h，再随炉冷却至室温，即可得到压电陶瓷变压器材料。

[0005] 本发明的应用方法是：将本发明制得的压电陶瓷变压器材料表面涂敷银外电极，接通电源，控制极化电压为4～5kV/mm，时间为10～15min，拔电源并放置24～48h即可使用，经检测，所得材料的拉伸强度为50～52MPa，弯曲强度为184～188MPa，冲击强度为20～22KJ/m2，击穿强度在直流电压下为135～138kV/mm，击穿强度在交流电压下为108～112kV/mm，热导率为0.95～0.98W/(m·k)。

[0006] 本发明的有益效果是：（1）本发明方法简单易于操作，材料性能更完善、环境污染小、耗能及成本低；
（2）该材料具有较佳的压电性能，可以满足多层压电陶瓷变压器使用要求，同时减少了有毒物氧化铅的挥发，减少环境污染，降低成本，适合大规模生产应用。

[0007] 首先依次称取10～20g硝酸铋和6～8g醋酸钠加入到烧杯中，将烧杯置于水浴锅中，升温至60～70℃，再加入100～200mL质量分数为36%醋酸溶液，搅拌10～20min，得到混合溶液；称取8～12g钛酸四丁酯加入到烧杯中，再加入70～80mL无水乙醇和30～40mL乙二醇乙醚，搅拌溶解30～40min，得到钛酸四丁酯溶液，并将钛酸四丁酯溶液以1～3mL/min的速率滴加到上述混合溶液中，控制温度在80～90℃，搅拌反应2～3h，反应结束，再加入质量分数为20%氨水调节pH为7.0，得到透明凝胶，将凝胶置于烘箱中，在95～105℃干燥3～4h，随后自然冷却至室温，得到干凝胶，备用；称取6～8g钛酸锂、8～12g氧化砷加入到球磨机中，再加入100～200mL无水乙醇进行球磨2～3h，得到混合浆料，再将混合浆料置于烘箱中，在95～105℃干燥1～2h，随后将干燥物置于马弗炉中，在800～900℃煅烧3～4h，再随炉冷却至室温，得到Li2SnO3；按重量份数计，称取20～30份上述Li2SnO3、40～50份备用的干凝胶、200～300份质量分数为25%聚乙烯醇、3～5份氧化镧、6～8份碳酸锰、10～12份硼硅玻璃粉、6～8份过硫酸铵和1～3份四甲基乙二胺，加入到搅拌机中，搅拌10～20min，得到陶瓷浆料，将陶瓷浆料加入到模具中，在150～200℃、20～25MPa下固化40～50min，随后脱模，得到坯料，将坯料置于高温干燥箱中，在80～90℃干燥1～2h，再将温度升高至400～500℃保温1～2h，再随炉冷却至室温，随后将物料置于烧结炉中，在1100～1200℃进行烧结，保温2～3h，再随炉冷却至室温，即可得到压电陶瓷变压器材料。

[0008] 实例1首先依次称取10g硝酸铋和6g醋酸钠加入到烧杯中，将烧杯置于水浴锅中，升温至60℃，再加入100mL质量分数为36%醋酸溶液，搅拌10min，得到混合溶液；称取8g钛酸四丁酯加入到烧杯中，再加入70mL无水乙醇和30mL乙二醇乙醚，搅拌溶解30min，得到钛酸四丁酯溶液，并将钛酸四丁酯溶液以1mL/min的速率滴加到上述混合溶液中，控制温度在80℃，搅拌反应2h，反应结束，再加入质量分数为20%氨水调节pH为7.0，得到透明凝胶，将凝胶置于烘箱中，在95℃干燥3h，随后自然冷却至室温，得到干凝胶，备用；称取6g钛酸锂、8g氧化砷加入到球磨机中，再加入100mL无水乙醇进行球磨2h，得到混合浆料，再将混合浆料置于烘箱中，在95℃干燥1h，随后将干燥物置于马弗炉中，在800℃煅烧3h，再随炉冷却至室温，得到Li2SnO3；按重量份数计，称取20份上述Li2SnO3、40份备用的干凝胶、200份质量分数为25%聚乙烯醇、3份氧化镧、6份碳酸锰、10份硼硅玻璃粉、6份过硫酸铵和1份四甲基乙二胺，加入到搅拌机中，搅拌10min，得到陶瓷浆料，将陶瓷浆料加入到模具中，在150℃、20MPa下固化
40min，随后脱模，得到坯料，将坯料置于高温干燥箱中，在80℃干燥1h，再将温度升高至400℃保温1h，再随炉冷却至室温，随后将物料置于烧结炉中，在1100℃进行烧结，保温2h，再随炉冷却至室温，即可得到压电陶瓷变压器材料。

[0009] 本发明的应用方法是：将本发明制得的压电陶瓷变压器材料表面涂敷银外电极，接通电源，控制极化电压为4kV/mm，时间为10min，拔电源并放置24h即可使用，经检测，所得材料的拉伸强度为50MPa，弯曲强度为184MPa，冲击强度为20KJ/m2，击穿强度在直流电压下为135kV/mm，击穿强度在交流电压下为108kV/mm，热导率为0.95W/(m·k)。

[0010] 实例2首先依次称取20g硝酸铋和8g醋酸钠加入到烧杯中，将烧瓶置于水浴锅中，升温至70℃，再加入100～200mL质量分数为36%醋酸溶液，搅拌20min，得到混合溶液；称取12g钛酸四丁酯加入到烧杯中，再加入80mL无水乙醇和40mL乙二醇乙醚，搅拌溶解40min，得到钛酸四丁酯溶液，并将钛酸四丁酯溶液以3mL/min的速率滴加到上述混合溶液中，控制温度在90℃，搅拌反应3h，反应结束，再加入质量分数为20%氨水调节pH为7.0，得到透明凝胶，将凝胶置于烘箱中，在105℃干燥4h，随后自然冷却至室温，得到干凝胶，备用；称取8g钛酸锂、12g氧化砷加入到球磨机中，再加入200mL无水乙醇进行球磨3h，得到混合浆料，再将混合浆料置于烘箱中，在105℃干燥2h，随后将干燥物置于马弗炉中，在900℃煅烧4h，再随炉冷却至室温，得到Li2SnO3；按重量份数计，称取30份上述Li2SnO3、50份备用的干凝胶、300份质量分数为25%聚乙烯醇、5份氧化镧、8份碳酸锰、12份硼硅玻璃粉、8份过硫酸铵和3份四甲基乙二胺，加入到搅拌机中，搅拌20min，得到陶瓷浆料，将陶瓷浆料加入到模具中，在200℃、25MPa下固化50min，随后脱模，得到坯料，将坯料置于高温干燥箱中，在90℃干燥2h，再将温度升高至500℃保温2h，再随炉冷却至室温，随后将物料置于烧结炉中，在1200℃进行烧结，保温
3h，再随炉冷却至室温，即可得到压电陶瓷变压器材料。

[0011] 本发明的应用方法是：将本发明制得的压电陶瓷变压器材料表面涂敷银外电极，接通电源，控制极化电压为5kV/mm，时间为15min，拔电源并放置48h即可使用，经检测，所得材料的拉伸强度为52MPa，弯曲强度为188MPa，冲击强度为22KJ/m2，击穿强度在直流电压下为138kV/mm，击穿强度在交流电压下为112kV/mm，热导率为0.98W/(m·k)。

[0012] 实例3首先依次称取15g硝酸铋和7g醋酸钠加入到烧杯中，将烧瓶置于水浴锅中，升温至65℃，再加入150mL质量分数为36%醋酸溶液，搅拌10～20min，得到混合溶液；称取10g钛酸四丁酯加入到烧杯中，再加入75mL无水乙醇和35mL乙二醇乙醚，搅拌溶解35min，得到钛酸四丁酯溶液，并将钛酸四丁酯溶液以2mL/min的速率滴加到上述混合溶液中，控制温度在85℃，搅拌反应2.5h，反应结束，再加入质量分数为20%氨水调节pH为7.0，得到透明凝胶，将凝胶置于烘箱中，在100℃干燥3.5h，随后自然冷却至室温，得到干凝胶，备用；称取7g钛酸锂、
10g氧化砷加入到球磨机中，再加入150mL无水乙醇进行球磨2.5h，得到混合浆料，再将混合浆料置于烘箱中，在100℃干燥1.5h，随后将干燥物置于马弗炉中，在850℃煅烧3.5h，再随炉冷却至室温，得到Li2SnO3；按重量份数计，称取205份上述Li2SnO3、405份备用的干凝胶、
250份质量分数为25%聚乙烯醇、4份氧化镧、7份碳酸锰、11份硼硅玻璃粉、7份过硫酸铵和2份四甲基乙二胺，加入到搅拌机中，搅拌15min，得到陶瓷浆料，将陶瓷浆料加入到模具中，在170℃、23MPa下固化45min，随后脱模，得到坯料，将坯料置于高温干燥箱中，在85℃干燥
1.5h，再将温度升高至450℃保温1.5h，再随炉冷却至室温，随后将物料置于烧结炉中，在
1150℃进行烧结，保温2.5h，再随炉冷却至室温，即可得到压电陶瓷变压器材料。

[0013] 本发明的应用方法是：将本发明制得的压电陶瓷变压器材料表面涂敷银外电极，接通电源，控制极化电压为4.5kV/mm，时间为13min，拔电源并放置32h即可使用，经检测，所得材料的拉伸强度为51MPa，弯曲强度为186MPa，冲击强度为21KJ/m2，击穿强度在直流电压下为137kV/mm，击穿强度在交流电压下为110kV/mm，热导率为0.97W/(m·k)。