压电陶瓷的应用

压电陶瓷的应用

当你将煤气灶的按钮轻轻一揿，迅即燃起蓝色火焰，你可曾意识到是什么带给您的这份便利呢？将一块看起来平淡无奇的陶瓷接上导线和电流表，用手在上面一摁，电流表的指针也跟着发生摆动－－竟然产生了电流，岂非咄咄怪事？这就是“压电陶瓷”所具有的神奇功能，它是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。

压电陶瓷为什么会具有如此神功呢？压电陶瓷是一种因其内部的特殊的晶相结构而能产生压电效应的先进功能陶瓷。所谓“压电效应”是指：某些电介质材料由于结晶体的特殊结构，当受到机械力作用而发生形变时，引起物件的相对两表面产生异种电荷，且电荷密度与应力成正比，此现象称之为“正压电效应”；反之，在这种材料上施加电场时，引起物件发生机械变形，若施加交变电场，材料则随电场频率作伸缩振动，且形变量（或振幅）与施加的电场强度成正比，此称为“电致伸缩效应（或称逆压电效应）”。二者统称为“压电效应”（原理如右图所示）。可见，压电陶瓷具有实现“机械能”与“电能”相互转换的功能，且能量转换（或信号转换）灵敏而精确、频率稳定性好而转换效率高等性能。

压电陶瓷为什么会具有如此神功呢？压电陶瓷是一种因其内部的特殊的晶相结构而能产生压电效应的先进功能陶瓷。所谓“压电效应”是指：某些电介质材料由于结晶体的特殊结构，当受到机械力作用而发生形变时，引起物件的相对两表面产生异种电荷，且电荷密度与应力成正比，此现象称之为“正压电效应”；反之，在这种材料上施加电场时，引起物件发生机械变形，若施加交变电场，材料则随电场频率作伸缩振动，且形变量（或振幅）与施加的电场强度成正比，此称为“电致伸缩效应（或称逆压电效应）”。二者统称为“压电效应”（原理如右图所示）。可见，压电陶瓷具有实现“机械能”与“电能”相互转换的功能，且能量转换（或信号转换）灵敏而精确、频率稳定性好而转换效率高等性能。

压电陶瓷的制备是以一些高纯度、超精细的无对称中心的无机化合物晶体粉料，经高温致密烧结制成精密陶瓷（如高纯的钛酸钡陶瓷、钛酸铅陶瓷、锆钛酸铅陶瓷等），并在高压直流电场中进行极化处理（以能形成并强化其特定的功能性能）而成。

压电陶瓷的这种奇特的能量转换（或信号转换）功能有着非常广泛的实用价值，主要用作精密仪器及电子技术中的电子元件。

（1）用作压电点火器的发火元件。使压电陶瓷元件接受机械冲击时，即刻产生高压脉冲电流（瞬间电压可达数千伏，瞬间电流可达数万安），并在电极尖端放电而产生电弧。此功能用于电子打火机、燃气灶、导弹引爆器中的点火器的发火元件。由于压电陶瓷具有陶瓷的基本性能，即强度高、硬度大、耐磨损、抗氧化，故用压电陶瓷制作的火石在电子打火机和燃气灶的点火器中使用寿命长，打火次数可达100万次以上。也由于压电陶瓷能量转换灵敏精确且转换效率高，故用在导弹引爆装置中作为点火器元件，其引爆准确率相当高而几乎无失误。

（2）用作电话手机的信号转换器元件。压电陶瓷在电声信号转换中，无论是受机械振动波的作用还是受到交变电场的影响，均会产生机械形变，其形变量尽管很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，它即能够灵敏而精确地实现声波和电频信号的可逆转化，在现代化通信工具中充当着关键性角色。如当手机中的压电陶瓷传感元件接受声波振动冲击时，会通过正压电效应将声音转换成电频信号经调制成微波信号后向外部发射；同时，从外部接受来的微波信号经解调成电频信号后，会通过压电陶瓷传感元件的电致伸缩效应将其转换成机械振动波，以实现通话。由于压电陶瓷信号转换具有极高的灵敏度和精确度，频率稳定性好而适用频率范围宽，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性。故传话几乎不失真。

（3）用作传感探测器的传感元件。压电陶瓷传感性能（即信号转换性能）非常灵敏而精确，可将极微弱的机械振动波（例如在数十米～数百米以外的小昆虫拍打翅膀产生的振动波）和超声波（例如从数百米～数千米以外发射或反射回的超声振动）通过其正压电效应转换成电信号而在示波仪或声纳探测仪等电子仪表上显示出来。这种灵敏而高效的传感元件，可装在地震仪、声纳换能器等精密仪器上精确遥测目标的方位、距离、大小及振动的强度。例如：用压电陶瓷制作的“压电地震仪”，能精确地测出地震强度，地震的方位和距离。

需要是创造发明之母。自从有了飞机，人们就研制出了对付它的雷达。雷达是现代国防的眼睛，利用它可以及时地发现敌人的飞机和导弹，以能及时采取防御措施。但潜艇的发明，给科学家出了一道难题。它藏在海水深处神出鬼没，雷达对它也无能为力。因为雷达发射的电磁波很快就会被海水吸收，无法用它来探测水下的潜艇。在这种情况下，科学家发明了“声纳探测器”。声纳是海洋中的“千里眼”和“顺风耳”。有了它不仅可探测深海潜艇和远方的轮船，而且还可用来探测海洋中的鱼群、沉船、冰山及水下资源。

声纳探测器是利用声波或超声波来探测目标的仪器。主要由声波发射、接收装置和声波分析测算系统组成。声纳的“心脏”是压电换能器。它既可以把接受到的声波转换成电频信号，又可以把电频信号转换成超声波向外发射出去。由于压电陶瓷易于加工成型，电声转换灵敏而精确且转换效率高，所以现代声纳换能器多采用压电陶瓷元件。当压电陶瓷换能器接受到来至远方的声波后，会通过正压电效应将声波转换成电频信号通过声波分析测算系统准确定位发声的目标，也可通过接受和分析由声纳探测器发射出的超声波的反射波来定位目标。由于声波或超声波在水中传播时的衰减率很小，所以声纳探测器特别适用于水下目标的探测定位。

用压电陶瓷制作的“声纳探测仪”具有很重要的实用性：①可以准确确定深海中的潜艇、鱼雷、水雷、冰山和暗礁的方位，同时还能区别前方目标是鲸鱼还是潜艇，是敌方潜艇还是我方潜艇呢，是冰山还是暗礁。②能精确地测出深海中鱼群的位置、鱼种和鱼群的状态，告诉渔民哪儿有可捕的鱼群；③可以用来研究海洋地质，查找深海矿产资源、搜寻海下沉船，进行水下通信联系等。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

可以说，压电陶瓷虽然是新材料，但也颇具平民性。它用于高科技领域，但更多地是在生活中为人们眼务，创造美好的生活。