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壓電陶瓷的發展與應用

  壓電陶瓷(piezoelectric ceramics)是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料-壓電效應,壓電陶瓷除具有壓電性外, 還具有介電性、彈性等, 已被廣泛應用于醫學成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達等。壓電陶瓷利用其材料在機械應力作用下,引起內部正負電荷中心相對位移而發生極化,導致材料兩端表面出現符號相反的束縛電荷即壓電效應而制作,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 壓電陶瓷是一種具有壓電效應的多晶體,由于它的生產工藝與陶瓷的生產工藝相似(原料粉碎、成型、高溫燒結)因而得名。除了用于高科技領域,它更多的是在日常生活中為人們服務,為人們創造更美好的生活而努力。    
    某些各向異性的晶體,在機械力作用下,產生形變,使帶電粒子發生相對位移,從而在晶體表面出現正負束縛電荷,這種現象稱為壓電效應。晶體的這種性質稱為壓電性。壓電性是J·居里和P·居里兄弟于1880年發現的。幾個月后他們又用實驗驗證了逆壓電效應、即給晶體施加電壓時,晶體會產生幾何形變。
 
  1940年以前,只知道有兩類鐵電體(在某溫度范圍內不僅具有自發極化,而且自發極化強度的發向能因外場強作用而重新取向的晶體):一類是羅息鹽和某些關系密切的酒石酸鹽;一類是磷酸二氫鉀鹽和它的同品型物。前者在常溫下有壓電性,技術上有使用價值,但有易溶解的缺點;后者要在低溫(低于—148°C)下才有壓電性,工程使用價值不大。
 
  1942-1945年間發現鈦酸鋇(BaTiO3 )具有異常高的介電常數,不久又發現它具有壓電性,BaTiO3 壓電陶瓷的發現是壓電材料的一個飛躍。這以前只有壓電單晶材料,此后出現了壓電多晶材料——壓電陶瓷,并獲得廣泛應用。
 
  1947年美國用 BaTiO3 陶瓷制造留聲機用拾音器,日本比美國晚用兩年。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。
 
  1954年美國B·賈菲等人發現了壓電 PbZrO3 - PbTiO3 (PZT)固溶體系統,這是一個劃時代大事,使在 BaTiO3 時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,使壓電陶瓷的應用擴展到光學領域。
 
  迄今,壓電陶瓷的應用,上至宇宙開發,下至家庭生活極其廣泛。我國對壓電陶瓷的研究始于五十年代末期,比國外晚10年左右,目前在壓電陶瓷的試制、工業生產等方面都已有相當雄厚力量,有不少材料已達到或接近國際水平。
 

二. 壓電陶瓷壓電性的物理機制

  壓電陶瓷是一種多晶體,它的壓電性可由晶體的壓電性來解釋,晶體在機械力作用下,總的電偶極矩(極化)發生變化,從而呈現壓電現象、因此壓電性與極化,形變等有密切關系。 
  
  1. 極化的微觀機理 
  極化狀態是電場對電介質的荷電質點產生相對位移的作用力與電荷間互相吸引力的暫時平衡統一的狀態。極化機理主要有三種。
 
  ①電子位移極化——電介質的原子或離子在電場力作用下,帶正電原子核與殼層電子的負電荷中心出現不重合。
 
  ②離子位移極化——電介質正、負離子在電場力作用下發生相對位移,從而產生電偶極矩。
 
  ③取向極化——組成電介質的有極分子,有一定的本征(固有)電矩,由于熱運動,取向無序,總電矩為零,當外加電場時,電偶極矩沿電場方向排列,出現宏觀電偶極矩。
  對于各向異性晶體,極化強度與電場存在有如下關系   m,n=1,2,3
 
  式中為極化率,或用電位移寫成:
 
  2. 壓電效應 
  ①正壓電效應
  壓電晶體在外力作用下發生形變時,正、負電荷中心發生相對位移,在某些相對應的面上產生異號電荷,出現極化強度。這種沒有電場作用,由形變產生極化的現象稱為正壓電效應。
 
  ②對于各向異性晶體,對晶體施加應力;(相應的應變)時,晶體將在X,Y,Z三個方向出現與成正比的極化強度, 即:  式中,分別稱為壓電應力常數與壓電應變常數。
 
  3.逆壓電效應
  ①當給晶體施加一電場時,不僅產生了極化,同時還產生形變,這種由電場產生形變的現象稱為逆壓電效應。這是由于晶體受電場作用時,在晶體內部產生了應力(壓電應力),通過應力作用產生壓電應變。存在如下關系
         
                 
式中分別為d和e的轉量矩。 
 
  4.壓力效應的機理
  ①壓電效應首先是在水晶晶體上發現的,現在我們以水晶晶體為模型,說明產生壓電效應的物理機理。 
  
  ②當不施以壓力時,水晶晶體正、負電荷中心如圖5-1(a) 分布,設這時正、負電荷中心重合,整個晶體的總電矩等于零,晶體表面不荷電(不呈壓電性)。
 
  ③當沿x方向施加壓力時,晶體發生形變,正、負電荷中心分離,即電偶極發生變化,從而在X面上出現電荷積累,如圖5-1(b)所示。
 
  ④當沿Y軸方向施加壓力時,晶體形變正、負電荷中心的分布如圖5-1(c)此示,這時總的電偶極距發生變化并在X面上引起與前面相反符號的電荷積累。 顯然,用伸拉力代替前面的壓縮力,則表明電荷的符號反過來??傊?,對具有壓電性的晶體施加壓力時,可能引起壓電效應。
 

三. 壓電陶瓷的應用

  壓電陶瓷由于它的壓電性以及由此引起的機電性能的多樣性獲得了廣泛應用。一般可將這些應用分成兩大類,即作為壓電振子使用。作為壓電振子使用時要求壓電陶瓷材料有好的頻率溫度穩定性及較高的機械品質因數Qm (Qm表示振動轉換時材料內部能量消耗的程度);做為換能器使用時要求有較高的機械藕合系數K( =機械轉變為電能/輸入機械能,或 =電能轉變為機械能/輸入電能)和較大的相對介電常數下面給出壓電陶瓷的應用。 
 
  1、壓電陶瓷點火器
  ①這是一種將機械力轉換為電火花而點燃燃燒物的裝置,是機電換能器。1958年開創利用鈦酸鋇(BaTiO3 )陶瓷的壓電效應進行點火,但這種材料著火率不高,噪音大,1962年開始試用鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷制作點火器,這種點火器廣泛應用日常生活、工業生產以及軍事方面,用以點燃氣體和各類炸藥和火箭的引燃引爆。
 
  ②基本原理 
  點火器工作過程分高壓產生、放電點火和點燃可燃氣體三個階段。高壓產生——以圓柱形壓電陶瓷元件為例,如圖5-2所示。當機械力F作用于圓柱體時,晶體發生畸變,導致晶體中正負電荷中心偏移,從而在圓柱體上下表面出現自由電荷大量積聚,產生高壓輸出。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。
  放電點火——把壓電陶瓷元件放在一個閉合回路中,并留一個適當間隙,當電壓升高到該間隙的放電電壓時,間隙中就產生放電火花。 
 
  點燃可燃氣體——般燃料氣體不易燃燒,所以一般采用易汽化的乙烷。為延長放電時間防止火花過快熄滅,以提高點燃率,可在放電端串入一個適當電阻。
 
  ③點火器結構和工作原理
  點火器種類繁多,現以家用壓電點火器為例說明它的結構和工作原理。如圖5-3所示的點火器,可固定在家用灶具上點燃煤氣,轉動凸輪開關1,利用凸輪凸出部分推動沖擊塊3,并壓縮沖擊塊后的彈簧2。當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4一個沖擊力,便在壓電元件兩端產生高壓,并從中間電極5輸出高壓,產生電火花點燃氣體。
 
  2、壓電變壓器 
  從五十年代就開始研制壓電變壓器。當時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,升壓比提高到300——500倍,逐步推廣應用于電視機 、靜電復印機、負離子發生器中做為高壓電源。 
  ①基本原理`
  輸入壓電瓷片的電振動能量通過逆壓電效應轉換成機械振動能,再通過正壓電效應又換成電能。在這兩次能量轉換中實現阻抗變換(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以伸縮振動的橫縱向型變壓器為例說明變壓原理。
  
  如圖5-4所示,整個陶瓷片分成兩部分,左部為輸入端(又稱驅動部分),上、下面都有燒滲的銀電極,沿厚度方向極化,右部為輸出端(又稱發電部分),其右端面有燒滲的銀電極。沿長度方向極化。當輸入端加上交變電壓時,由于逆壓電效應,瓷片產生沿長度方向的伸縮振動,將輸入電能轉變為機械能;而發電部分則通過正壓電效應,將機械能轉變為電能,從輸出端輸出電壓。無負載時,開路升壓比為:
  
  式中—材料的機械品質因數;、—材料的縱、橫向機電耦合系數;L—發電部分的長度;T—變壓器厚度。   
  
  ②壓電變壓器的應用
  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,無泄漏磁場、不燃燒等獨特優點。為了獲得多個電壓輸出,根據橫—縱變壓器的輸出電壓與長度成正比,越靠近發電部分端頭,電壓越高,我們可在發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聲器 
  壓電陶瓷在電聲設備上有廣泛應用,例如壓電陶瓷拾音器、揚聲器。送受話器等都是利用壓電陶瓷的換能性質(機械能轉變為電能或反過來)來研制的。
  
  ①雙膜片型振子
  
  電聲設備要求機械阻抗低,能與音源或振動源相正配,雙膜片型壓電振子能符合這些要求。它是由兩片長度伸縮的壓電陶瓷片粘合而成,當一片伸長時,另一片縮短,整體做彎曲運動。
 
  圖5-6給出雙膜片型振子的工作原理,當一片有一定厚度的壓電陶瓷受力彎曲時,在其厚度的一側為伸長,另一側為壓縮 ,此時陶瓷片內部將產生電荷,但由于整個膜片極化方向相同,而上側為伸長,下側為壓縮,因而引起電偶極矩相反,上下側電荷符號相同,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構,當受力彎曲時,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連接,受力時上面一片伸長,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連接疊合而成,也可獲得輸出電壓。 
  
  ②壓電陶瓷拾音器結構和工作原理  
  
  
 
  圖5-7是雙聲道陶瓷拾音器結構圖。其工作原理是:在唱機放音時,拾音器的針尖沿唱片槽(其左右槽壁還刻有振動信號)移動,產生合成的機械振動,同時由耦合件將該振動分解成兩個互相垂直分量,然后再將分量分別傳入兩個傳感器(壓電傳感器常用雙膜片型)的端部,使他們產生彎曲振動,最后通過正壓電效應轉換并復原為左右聲道的音頻信號。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位置對器件的靈敏度、頻率響應等有極大影響。
 
  ③壓電陶瓷揚聲器結構和工作原理
  壓電陶瓷揚聲器是一種結構簡單、輕巧的電聲器件,具有靈敏度高、無磁場散播外溢、不用銅線和磁鐵、成本低,耗電少、修理方便、便于大量生產等優點。
 
  其結構圖如5-8所示。其驅動系統為壓電陶瓷雙膜片,振動系統為紙盆,耦合元件把驅動系統的能量有效的傳遞給振動系統。工作時,加在壓電陶瓷雙膜片片上的電能轉換為機械能,通過耦合元件傳給紙盆使之振動發聲。壓電雙膜片具有較高阻抗,構成電壓驅動,力F和電壓V 之間的關系為F=KV,K為比例系數,設包括輻射阻抗在內的振動機械阻抗為Z,則振動速度為V=F/Z可以得到高振動膜中心r處的聲壓P
 
 
 
  式中: f——頻率
             P——介質密度 
             S——錐體有效面積
  此外,還可根據壓電陶瓷壓電效應制成其它的電——聲能量轉換器,如送、受話器、蜂鳴器等。
 
  ④壓電陶瓷風扇和繼電器 
  利用壓電陶瓷的逆壓電效應可制成小型的壓電陶瓷風扇,具有體積小,不會發熱,無嘈聲、低功耗、壽命長等優點。圖5-9是一個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成,陶瓷片在外電場作用下產生伸縮運動。若兩片陶瓷片加反向電壓,則一邊收縮另一邊伸長,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。
 
  
 
  壓電陶瓷風扇是由兩個彎曲變形器組成,如圖5-10,接通交流電源后,兩葉片就按箭頭方向做往復振動、產生的風量可達0.42立方米/分鐘。利用彎曲器還可制成繼電器。
 
  
 
  ⑤ 壓電振動加速計
  壓電陶瓷在計測儀器上有廣泛的應用,這里介紹壓電加速度計。
  圖5-11是壓電陶瓷加速度計的示意圖。當被測物體加速度運動時,放在上面的質量為m 的質量塊夾在中間的壓電陶瓷片產生壓力F,由于壓電效應,在陶瓷片的上下電極有電壓輸出,此電壓與應力成正比,而應力又與加速度(也即被測物體的加速度)成正比,因而可以測得的輸出電壓求得運動物體的加速度。

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