壓電陶瓷,一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料,屬于無機(jī)非金屬材料。這是一種具有壓電效應(yīng)的材料
基本概念
所謂壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下,產(chǎn)生形變,引起介質(zhì)表面帶電,這是正壓電效應(yīng)。反之,施加激勵(lì)電場(chǎng),介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形,稱逆壓電效應(yīng)。這種奇妙的效應(yīng)已經(jīng)被科學(xué)家應(yīng)用在與人們生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域,以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動(dòng)、頻率控制等功能?! ≡谀芰哭D(zhuǎn)換方面,利用壓電陶瓷將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的特性,可以制造出壓電點(diǎn)火器、移動(dòng)X光電源、炮彈引爆裝置。電子打火機(jī)中就有壓電陶瓷制作的火石,打火次數(shù)可在100萬次以上。用壓電陶瓷把電能轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng),可以用來探尋水下魚群的位置和形狀,對(duì)金屬進(jìn)行無損探傷,以及超聲清洗、超聲醫(yī)療,還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵,對(duì)塑料甚至金屬進(jìn)行加工。
發(fā)現(xiàn)
某些材料在機(jī)械應(yīng)力作用下,引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移而發(fā)生極化,導(dǎo)致材料兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷的現(xiàn)象,稱為壓電效應(yīng)。具有這種性能的陶瓷稱為壓電陶瓷,它的表面電荷的密度與所受的機(jī)械應(yīng)力成正比。反之,當(dāng)這類材料在外電場(chǎng)作用下,其內(nèi)部正負(fù)電荷中心移位,又可導(dǎo)致材料發(fā)生機(jī)械變形,形變的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。
1946年美國(guó)麻省理工學(xué)院絕緣研究室發(fā)現(xiàn),在鈦酸鋇鐵電陶瓷上施加直流高壓電場(chǎng),使其自發(fā)極化沿電場(chǎng)方向擇優(yōu)取向,除去電場(chǎng)后仍能保持一定的剩余極化,使它具有壓電效應(yīng),從此誕生了壓電陶瓷。
常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛二元系及在二元系中添加第三種ABO3(A表示二價(jià)金屬離子,B表示四價(jià)金屬離子或幾種離子總和為正四價(jià))型化合物,如:Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等組成的三元系。如果在三元系統(tǒng)上再加入第四種或更多的化合物,可組成四元系或多元系壓電陶瓷。此外,還有一種偏鈮酸鹽系壓電陶瓷,如偏鈮酸鉀鈉(Na0.5·K0.5·NbO3)和偏鈮酸鍶鋇(Bax·Sr1-x·Nb2O5)等,它們不含有毒的鉛,對(duì)環(huán)境保護(hù)有利。
制造特點(diǎn)
壓電陶瓷的制造特點(diǎn)是在直流電場(chǎng)下對(duì)鐵電陶瓷進(jìn)行極化處理,使之具有壓電效應(yīng)。一般極化電場(chǎng)為3~5kV/mm,溫度100~150°C,時(shí)間5~20min。這三者是影響極化效果的主要因素。性能較好的壓電陶瓷,如鋯鈦酸鉛系陶瓷,其機(jī)電偶合系數(shù)可高達(dá)0.313~0.694。
壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測(cè)器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等。
陶瓷特性
壓電陶瓷具有敏感的特性,可以將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測(cè)、遙測(cè)環(huán)境保護(hù)、家用電器等。地震是毀滅性的災(zāi)害,而且震源始于地殼深處,以前很難預(yù)測(cè),使人類陷入了無計(jì)可施的尷尬境地。壓電陶瓷對(duì)外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動(dòng),用它來制作壓電地震儀,能精確地測(cè)出地震強(qiáng)度,指示出地震的方位和距離。這不能不說是壓電陶瓷的一大奇功。
壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的形變量很小,最多不超過本身尺寸的千萬分之一,別小看這微小的變化,基于這個(gè)原理制做的精確控制機(jī)構(gòu)--壓電驅(qū)動(dòng)器,對(duì)于精密儀器和機(jī)械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域都是一大福音。
諧振器、濾波器等頻率控制裝置,是決定通信設(shè)備性能的關(guān)鍵器件,壓電陶瓷在這方面具有明顯的優(yōu)越性。它頻率穩(wěn)定性好,精度高及適用頻率范圍寬,而且體積小、不吸潮、壽命長(zhǎng),特別是在多路通信設(shè)備中能提高抗干擾性,使以往的電磁設(shè)備無法望其項(xiàng)背而面臨著被替代的命運(yùn)。
主要原理
我們來看一種新型自行車減震控制器,一般的減振器難以達(dá)到平穩(wěn)的效果,而這種ACX減震控制器,通過使用壓電材料,首次提供了連續(xù)可變的減震功能。一個(gè)傳感器以每秒50次的速率監(jiān)測(cè)沖擊活塞的運(yùn)動(dòng),如果活塞快速動(dòng)作,一般是由于行駛在不平地面而造成的快速?zèng)_擊,這時(shí)需要啟動(dòng)最大的減震功能;如果活塞運(yùn)動(dòng)較慢,則表示路面平坦,只需動(dòng)用較弱的減震功能?!【C上所訴:壓電陶瓷就是矢量轉(zhuǎn)換材料 力--->;電 電--->;力 1次力電轉(zhuǎn)化,典型應(yīng)用:壓電點(diǎn)火,稱量傳感 1次電力轉(zhuǎn)換:制動(dòng)器,執(zhí)行器 電-->;力--->;形變--->;振動(dòng)----聲波-->;電聲-->;超聲等 形變--->;位移-->;檢測(cè) 電->;力-->;電,壓電變壓器等等~ 可以說,壓電陶瓷雖然是新材料,卻頗具平民性。它用于高科技,但更多地是在生活中為人們服務(wù),創(chuàng)造美好的生活。 目前,壓電陶瓷的主要原料還包括鉛等有毒物質(zhì)。下一階段,無鉛壓電陶瓷和低溫壓電陶瓷將是發(fā)展的方向。
摘自百度百科