壓電陶瓷的原理及應(yīng)用

壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料-壓電效應(yīng),壓電陶瓷除具有壓電性外,還具有介電性、彈性等,已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達(dá)等。壓電陶瓷利用其材料在機(jī)械應(yīng)力作用下，引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導(dǎo)致材料兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷即壓電效應(yīng)而制作，具有敏感的特性，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、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等，除了用于高科技領(lǐng)域，它更多的是在日常生活中為人們服務(wù)，為人們創(chuàng)造更美好的生活而努力。


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表示二價金屬離子，B表示四價金屬離子或幾種離子總和為正四價）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，對環(huán)境保護(hù)有利。


先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，提供了連續(xù)可變的減震功能。一個傳感器以每秒50次的速率監(jiān)測沖擊活塞的運(yùn)動，如果活塞快速動作，一般是由于行駛在不平地面而造成的快速沖擊，這時需要啟動的減震功能；如果活塞運(yùn)動較慢，則表示路面平坦，只需動用較弱的減震功能。　綜上所訴：壓電陶瓷是矢量轉(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：制動器，執(zhí)行器　電-->；力--->；形變--->；振動----聲波-->；電聲-->；超聲等　形變--->；位移-->；檢測　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。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。


主要用途


1、聲音轉(zhuǎn)換器聲音轉(zhuǎn)換器是常見的應(yīng)用之一。像拾音器、傳聲器、耳機(jī)、蜂鳴器、超聲波探深儀、聲納、材料的超聲波探傷儀等都可以用壓電陶瓷做聲音轉(zhuǎn)換器。如兒童玩具上的蜂鳴器是電流通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動，而發(fā)出人耳可以聽得到的聲音。壓電陶瓷通過電子線路的控制，可產(chǎn)生不同頻率的振動，從而發(fā)出各種不同的聲音。例如電子音樂賀卡，是通過逆壓電效應(yīng)把交流音頻電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號。
2、壓電引爆器自從一戰(zhàn)中英軍發(fā)明了坦克，并在法國索姆河的戰(zhàn)斗中使用而重創(chuàng)了德軍后，坦克在多次戰(zhàn)斗中大顯身手。然而到了20世紀(jì)六七十年代，由于反坦克武器的發(fā)明，坦克失去了昔日的輝煌。反坦克炮發(fā)射出的穿甲彈接觸坦克，會馬上爆炸，把坦克炸得粉碎。這是因?yàn)閺楊^上裝有壓電陶瓷，它能把相碰時的強(qiáng)大機(jī)械力轉(zhuǎn)變?yōu)樗查g高電壓，爆發(fā)火花而引爆炸藥。
3、壓電打火機(jī)煤氣灶上用的一種新式電子打火機(jī)，是利用壓電陶瓷制成的。只要用手指壓一下打火按鈕，打火機(jī)上的壓電陶瓷能產(chǎn)生高電壓，形成電火花而點(diǎn)燃煤氣，可以長久使用。所以壓電打火機(jī)不僅使用方便，安全可靠，而且壽命長，例如一種鈦鉛酸鉛壓電陶瓷制成的打火機(jī)可使用100萬次以上。[2] 
4、防核護(hù)目鏡核試驗(yàn)員帶上用透明壓電陶瓷做成的護(hù)目鏡后，當(dāng)核爆炸產(chǎn)生的光輻射達(dá)到危險程度時，護(hù)目鏡里的壓電陶瓷把它轉(zhuǎn)變成瞬時高壓電，在1/1000s里，能把光強(qiáng)度減弱到只有1/10000，當(dāng)危險光消失后，又能恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這種護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)簡單，只有幾十克重，安裝在防核護(hù)目頭盔上攜帶十分方便。
5、超聲波換能器適用于用于超聲波焊接設(shè)備以及超聲波清洗設(shè)備，主要采用大功率發(fā)射型壓電陶瓷制作，超聲波換能器是一種能把高頻電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，超聲波換能器作為能量轉(zhuǎn)換器件，它的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率（即超聲波）再傳遞出去，而它自身消耗很少的一部分功率。
6、聲納在海戰(zhàn)中，很難對付的是潛艇，它能長期在海下潛航，神不知鬼不覺地偷襲港口、艦艇，使敵方大傷腦筋。如何尋找敵潛艇？靠眼睛不行，用雷達(dá)也不行，因?yàn)殡姶挪ㄔ诤Ｋ飼眲∷p，不能有效地傳遞信號，探測潛艇靠的是聲納------水下耳朵。壓電陶瓷是制造聲納的材料，它發(fā)出超聲波，遇到潛艇便反射回來，被接收后經(jīng)過處理，可測出敵潛艇的方位、距離等。


常見運(yùn)用


1：正逆壓電效應(yīng)應(yīng)用
2：壓電陶瓷蜂鳴器|揚(yáng)聲器
3：壓電陶瓷拾音器
4：壓電變壓器
5：壓電陶瓷點(diǎn)火器