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壓電陶瓷的發(fā)展與應(yīng)用

日期： 2020-07-29 11:42 作者： g3xz.cn 瀏覽：
  壓電陶瓷（piezoelectric ceramics）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(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(cè)器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等 壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的多晶體，由于它的生產(chǎn)工藝與陶瓷的生產(chǎn)工藝相似（原料粉碎、成型、高溫?zé)Y(jié)）因而得名。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。    
    某些各向異性的晶體，在機(jī)械力作用下，產(chǎn)生形變，使帶電粒子發(fā)生相對(duì)位移，從而在晶體表面出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。晶體的這種性質(zhì)稱(chēng)為壓電性。壓電性是J·居里和P·居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。幾個(gè)月后他們又用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)、即給晶體施加電壓時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生幾何形變。
 
  1940年以前，只知道有兩類(lèi)鐵電體（在某溫度范圍內(nèi)不僅具有自發(fā)極化，而且自發(fā)極化強(qiáng)度的發(fā)向能因外場(chǎng)強(qiáng)作用而重新取向的晶體）：一類(lèi)是羅息鹽和某些關(guān)系密切的酒石酸鹽；一類(lèi)是磷酸二氫鉀鹽和它的同品型物。前者在常溫下有壓電性，技術(shù)上有使用價(jià)值，但有易溶解的缺點(diǎn)；后者要在低溫（低于—148°C）下才有壓電性，工程使用價(jià)值不大。
 
  1942-1945年間發(fā)現(xiàn)鈦酸鋇（BaTiO3 ）具有異常高的介電常數(shù)，不久又發(fā)現(xiàn)它具有壓電性，BaTiO3 壓電陶瓷的發(fā)現(xiàn)是壓電材料的一個(gè)飛躍。這以前只有壓電單晶材料，此后出現(xiàn)了壓電多晶材料——壓電陶瓷，并獲得廣泛應(yīng)用。
 
  1947年美國(guó)用 BaTiO3 陶瓷制造留聲機(jī)用拾音器，日本比美國(guó)晚用兩年。BaTiO3 存在壓電性比羅息鹽弱和壓電性隨溫度變化比石英晶體大的缺點(diǎn)。
 
  1954年美國(guó)B·賈菲等人發(fā)現(xiàn)了壓電 PbZrO3 - PbTiO3 (PZT)固溶體系統(tǒng)，這是一個(gè)劃時(shí)代大事，使在 BaTiO3 時(shí)代不能制作的器件成為可能。此后又研制出PLZT透明壓電陶瓷，使壓電陶瓷的應(yīng)用擴(kuò)展到光學(xué)領(lǐng)域。
 
  迄今，壓電陶瓷的應(yīng)用，上至宇宙開(kāi)發(fā)，下至家庭生活極其廣泛。我國(guó)對(duì)壓電陶瓷的研究始于五十年代末期，比國(guó)外晚10年左右，目前在壓電陶瓷的試制、工業(yè)生產(chǎn)等方面都已有相當(dāng)雄厚力量，有不少材料已達(dá)到或接近國(guó)際水平。
 

二. 壓電陶瓷壓電性的物理機(jī)制

  壓電陶瓷是一種多晶體，它的壓電性可由晶體的壓電性來(lái)解釋?zhuān)w在機(jī)械力作用下，總的電偶極矩（極化）發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)壓電現(xiàn)象、因此壓電性與極化，形變等有密切關(guān)系。 
  
  1. 極化的微觀(guān)機(jī)理 
  極化狀態(tài)是電場(chǎng)對(duì)電介質(zhì)的荷電質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移的作用力與電荷間互相吸引力的暫時(shí)平衡統(tǒng)一的狀態(tài)。極化機(jī)理主要有三種。
 
  ①電子位移極化——電介質(zhì)的原子或離子在電場(chǎng)力作用下，帶正電原子核與殼層電子的負(fù)電荷中心出現(xiàn)不重合。
 
  ②離子位移極化——電介質(zhì)正、負(fù)離子在電場(chǎng)力作用下發(fā)生相對(duì)位移，從而產(chǎn)生電偶極矩。
 
  ③取向極化——組成電介質(zhì)的有極分子，有一定的本征（固有）電矩，由于熱運(yùn)動(dòng)，取向無(wú)序，總電矩為零，當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，電偶極矩沿電場(chǎng)方向排列，出現(xiàn)宏觀(guān)電偶極矩。
  對(duì)于各向異性晶體，極化強(qiáng)度與電場(chǎng)存在有如下關(guān)系   m，n=1，2，3
 
  式中為極化率，或用電位移寫(xiě)成：
 
  2. 壓電效應(yīng) 
  ①正壓電效應(yīng)
  壓電晶體在外力作用下發(fā)生形變時(shí)，正、負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，在某些相對(duì)應(yīng)的面上產(chǎn)生異號(hào)電荷，出現(xiàn)極化強(qiáng)度。這種沒(méi)有電場(chǎng)作用，由形變產(chǎn)生極化的現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。
 
  ②對(duì)于各向異性晶體，對(duì)晶體施加應(yīng)力；（相應(yīng)的應(yīng)變）時(shí)，晶體將在X，Y，Z三個(gè)方向出現(xiàn)與成正比的極化強(qiáng)度， 即：  式中，分別稱(chēng)為壓電應(yīng)力常數(shù)與壓電應(yīng)變常數(shù)。
 
  3.逆壓電效應(yīng)
  ①當(dāng)給晶體施加一電場(chǎng)時(shí)，不僅產(chǎn)生了極化，同時(shí)還產(chǎn)生形變，這種由電場(chǎng)產(chǎn)生形變的現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。這是由于晶體受電場(chǎng)作用時(shí)，在晶體內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力（壓電應(yīng)力），通過(guò)應(yīng)力作用產(chǎn)生壓電應(yīng)變。存在如下關(guān)系
或          
                 
式中和分別為d和e的轉(zhuǎn)量矩。 
 
  4.壓力效應(yīng)的機(jī)理
  ①壓電效應(yīng)首先是在水晶晶體上發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在我們以水晶晶體為模型，說(shuō)明產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理機(jī)理。 
  
  ②當(dāng)不施以壓力時(shí)，水晶晶體正、負(fù)電荷中心如圖5-1（a） 分布，設(shè)這時(shí)正、負(fù)電荷中心重合，整個(gè)晶體的總電矩等于零，晶體表面不荷電（不呈壓電性）。
 
  ③當(dāng)沿x方向施加壓力時(shí),晶體發(fā)生形變，正、負(fù)電荷中心分離，即電偶極發(fā)生變化，從而在X面上出現(xiàn)電荷積累，如圖5-1（b）所示。
 
  ④當(dāng)沿Y軸方向施加壓力時(shí)，晶體形變正、負(fù)電荷中心的分布如圖5-1（c）此示，這時(shí)總的電偶極距發(fā)生變化并在X面上引起與前面相反符號(hào)的電荷積累。 顯然，用伸拉力代替前面的壓縮力，則表明電荷的符號(hào)反過(guò)來(lái)。總之，對(duì)具有壓電性的晶體施加壓力時(shí)，可能引起壓電效應(yīng)。
 

三. 壓電陶瓷的應(yīng)用

  壓電陶瓷由于它的壓電性以及由此引起的機(jī)電性能的多樣性獲得了廣泛應(yīng)用。一般可將這些應(yīng)用分成兩大類(lèi)，即作為壓電振子使用。作為壓電振子使用時(shí)要求壓電陶瓷材料有好的頻率溫度穩(wěn)定性及較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm （Qm表示振動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)材料內(nèi)部能量消耗的程度）；做為換能器使用時(shí)要求有較高的機(jī)械藕合系數(shù)K（ =機(jī)械轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?輸入機(jī)械能，或 =電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能/輸入電能)和較大的相對(duì)介電常數(shù)下面給出壓電陶瓷的應(yīng)用。 
 
  1、壓電陶瓷點(diǎn)火器
  ①這是一種將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電火花而點(diǎn)燃燃燒物的裝置，是機(jī)電換能器。1958年開(kāi)創(chuàng)利用鈦酸鋇（BaTiO3 ）陶瓷的壓電效應(yīng)進(jìn)行點(diǎn)火，但這種材料著火率不高，噪音大，1962年開(kāi)始試用鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷制作點(diǎn)火器，這種點(diǎn)火器廣泛應(yīng)用日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及軍事方面，用以點(diǎn)燃?xì)怏w和各類(lèi)炸藥和火箭的引燃引爆。
 
  ②基本原理 
  點(diǎn)火器工作過(guò)程分高壓產(chǎn)生、放電點(diǎn)火和點(diǎn)燃可燃?xì)怏w三個(gè)階段。高壓產(chǎn)生——以圓柱形壓電陶瓷元件為例，如圖5-2所示。當(dāng)機(jī)械力F作用于圓柱體時(shí)，晶體發(fā)生畸變，導(dǎo)致晶體中正負(fù)電荷中心偏移，從而在圓柱體上下表面出現(xiàn)自由電荷大量積聚，產(chǎn)生高壓輸出。輸出電壓為：
 
  式中:   A——圓柱體截面積；
             h——圓柱體高度；
            ——壓電電壓常數(shù)。
  放電點(diǎn)火——把壓電陶瓷元件放在一個(gè)閉合回路中，并留一個(gè)適當(dāng)間隙，當(dāng)電壓升高到該間隙的放電電壓時(shí)，間隙中就產(chǎn)生放電火花。 
 
  點(diǎn)燃可燃?xì)怏w——般燃料氣體不易燃燒，所以一般采用易汽化的乙烷。為延長(zhǎng)放電時(shí)間防止火花過(guò)快熄滅，以提高點(diǎn)燃率，可在放電端串入一個(gè)適當(dāng)電阻。
 
  ③點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)和工作原理
  點(diǎn)火器種類(lèi)繁多，現(xiàn)以家用壓電點(diǎn)火器為例說(shuō)明它的結(jié)構(gòu)和工作原理。如圖5-3所示的點(diǎn)火器，可固定在家用灶具上點(diǎn)燃煤氣，轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪開(kāi)關(guān)1，利用凸輪凸出部分推動(dòng)沖擊塊3，并壓縮沖擊塊后的彈簧2。當(dāng)凸輪凸出部分脫離沖擊塊后。由于彈簧彈力作用，沖擊塊給陶瓷壓電元件4一個(gè)沖擊力，便在壓電元件兩端產(chǎn)生高壓，并從中間電極5輸出高壓，產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃?xì)怏w。
 
  2、壓電變壓器 
  從五十年代就開(kāi)始研制壓電變壓器。當(dāng)時(shí)以鈦酸鋇為主要材料。升壓比較低（只有50—60倍）。輸出電壓3000伏左右。隨著鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料的出現(xiàn)，升壓比提高到300——500倍,逐步推廣應(yīng)用于電視機(jī) 、靜電復(fù)印機(jī)、負(fù)離子發(fā)生器中做為高壓電源。 
  ①基本原理`
  輸入壓電瓷片的電振動(dòng)能量通過(guò)逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能，再通過(guò)正壓電效應(yīng)又換成電能。在這兩次能量轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)阻抗變換（由低阻抗變成高阻抗），從而在陶瓷片的諧振頻率上獲得高的電壓輸出?，F(xiàn)以伸縮振動(dòng)的橫縱向型變壓器為例說(shuō)明變壓原理。
  
  如圖5-4所示，整個(gè)陶瓷片分成兩部分，左部為輸入端（又稱(chēng)驅(qū)動(dòng)部分），上、下面都有燒滲的銀電極，沿厚度方向極化，右部為輸出端（又稱(chēng)發(fā)電部分），其右端面有燒滲的銀電極。沿長(zhǎng)度方向極化。當(dāng)輸入端加上交變電壓時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，瓷片產(chǎn)生沿長(zhǎng)度方向的伸縮振動(dòng)，將輸入電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能；而發(fā)電部分則通過(guò)正壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從輸出端輸出電壓。無(wú)負(fù)載時(shí)，開(kāi)路升壓比為：
  
  式中—材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)；、—材料的縱、橫向機(jī)電耦合系數(shù)；L—發(fā)電部分的長(zhǎng)度；T—變壓器厚度。   
  
  ②壓電變壓器的應(yīng)用
  壓電變壓器主要用于高壓、低功率和正弦波變換的情況，具有輸出電壓高，重量輕，體積小，無(wú)泄漏磁場(chǎng)、不燃燒等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。為了獲得多個(gè)電壓輸出，根據(jù)橫—縱變壓器的輸出電壓與長(zhǎng)度成正比，越靠近發(fā)電部分端頭，電壓越高，我們可在發(fā)電部分的不同位置制作電極作為抽頭，從而獲得不同的電壓輸出。如圖5-5所示。 
 
3、壓電陶瓷拾音器和揚(yáng)聲器 
  壓電陶瓷在電聲設(shè)備上有廣泛應(yīng)用，例如壓電陶瓷拾音器、揚(yáng)聲器。送受話(huà)器等都是利用壓電陶瓷的換能性質(zhì)（機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑蚍催^(guò)來(lái)）來(lái)研制的。
  
  ①雙膜片型振子
  
  電聲設(shè)備要求機(jī)械阻抗低，能與音源或振動(dòng)源相正配，雙膜片型壓電振子能符合這些要求。它是由兩片長(zhǎng)度伸縮的壓電陶瓷片粘合而成，當(dāng)一片伸長(zhǎng)時(shí)，另一片縮短，整體做彎曲運(yùn)動(dòng)。
 
  圖5-6給出雙膜片型振子的工作原理，當(dāng)一片有一定厚度的壓電陶瓷受力彎曲時(shí)，在其厚度的一側(cè)為伸長(zhǎng)，另一側(cè)為壓縮 ，此時(shí)陶瓷片內(nèi)部將產(chǎn)生電荷，但由于整個(gè)膜片極化方向相同，而上側(cè)為伸長(zhǎng)，下側(cè)為壓縮，因而引起電偶極矩相反，上下側(cè)電荷符號(hào)相同，故不存在電位差，如圖5-6（a）所示。如改用兩片疊合的雙膜片結(jié)構(gòu)，當(dāng)受力彎曲時(shí)，則可獲得電壓輸出。圖5-6（b）使用兩片極化方向相反的膜片串聯(lián)連接，受力時(shí)上面一片伸長(zhǎng)，下面一片壓縮。由于極化方向相反，因而雙膜片上下兩面帶符號(hào)相反電荷，可獲得電壓輸出。圖5-6（c）是用極化方向相同的兩片膜片并聯(lián)連接疊合而成，也可獲得輸出電壓。 
  
  ②壓電陶瓷拾音器結(jié)構(gòu)和工作原理  
  
  
 
  圖5-7是雙聲道陶瓷拾音器結(jié)構(gòu)圖。其工作原理是：在唱機(jī)放音時(shí)，拾音器的針尖沿唱片槽（其左右槽壁還刻有振動(dòng)信號(hào)）移動(dòng)，產(chǎn)生合成的機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)由耦合件將該振動(dòng)分解成兩個(gè)互相垂直分量，然后再將分量分別傳入兩個(gè)傳感器（壓電傳感器常用雙膜片型）的端部，使他們產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，最后通過(guò)正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換并復(fù)原為左右聲道的音頻信號(hào)。拾音器中的橡膠固定件、橡膠阻尼件、橡膠耦合件及針桿橡膠件的軟硬、彈性和撐勁及其相對(duì)位置對(duì)器件的靈敏度、頻率響應(yīng)等有極大影響。
 
  ③壓電陶瓷揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)和工作原理
  壓電陶瓷揚(yáng)聲器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧的電聲器件，具有靈敏度高、無(wú)磁場(chǎng)散播外溢、不用銅線(xiàn)和磁鐵、成本低，耗電少、修理方便、便于大量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
 
  其結(jié)構(gòu)圖如5-8所示。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為壓電陶瓷雙膜片，振動(dòng)系統(tǒng)為紙盆，耦合元件把驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量有效的傳遞給振動(dòng)系統(tǒng)。工作時(shí)，加在壓電陶瓷雙膜片片上的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過(guò)耦合元件傳給紙盆使之振動(dòng)發(fā)聲。壓電雙膜片具有較高阻抗，構(gòu)成電壓驅(qū)動(dòng)，力F和電壓V 之間的關(guān)系為F=KV,K為比例系數(shù)，設(shè)包括輻射阻抗在內(nèi)的振動(dòng)機(jī)械阻抗為Z，則振動(dòng)速度為V=F/Z可以得到高振動(dòng)膜中心r處的聲壓P
 
 
 
  式中： f——頻率
             P——介質(zhì)密度 
             S——錐體有效面積
  此外，還可根據(jù)壓電陶瓷壓電效應(yīng)制成其它的電——聲能量轉(zhuǎn)換器，如送、受話(huà)器、蜂鳴器等。
 
  ④壓電陶瓷風(fēng)扇和繼電器 
  利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)可制成小型的壓電陶瓷風(fēng)扇，具有體積小，不會(huì)發(fā)熱，無(wú)嘈聲、低功耗、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。圖5-9是一個(gè)壓電陶瓷彎曲變形器，它由兩片壓電陶瓷片夾一金屬薄片構(gòu)成，陶瓷片在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)。若兩片陶瓷片加反向電壓，則一邊收縮另一邊伸長(zhǎng)，使金屬片彎曲變形，若外加交變電壓，金屬片將作周期性振動(dòng)。
 
  
 
  壓電陶瓷風(fēng)扇是由兩個(gè)彎曲變形器組成，如圖5-10，接通交流電源后，兩葉片就按箭頭方向做往復(fù)振動(dòng)、產(chǎn)生的風(fēng)量可達(dá)0.42立方米/分鐘。利用彎曲器還可制成繼電器。
 
  
 
  ⑤ 壓電振動(dòng)加速計(jì)
  壓電陶瓷在計(jì)測(cè)儀器上有廣泛的應(yīng)用，這里介紹壓電加速度計(jì)。
  圖5-11是壓電陶瓷加速度計(jì)的示意圖。當(dāng)被測(cè)物體加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，放在上面的質(zhì)量為m 的質(zhì)量塊夾在中間的壓電陶瓷片產(chǎn)生壓力F，由于壓電效應(yīng)，在陶瓷片的上下電極有電壓輸出，此電壓與應(yīng)力成正比，而應(yīng)力又與加速度（也即被測(cè)物體的加速度）成正比，因而可以測(cè)得的輸出電壓求得運(yùn)動(dòng)物體的加速度。

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