奇妙的压电陶瓷

奇妙的压电陶瓷

什么是压电陶瓷呢？可以用生活中比较常见的压电打火机来说明它。压电打火机中用到两粒柱状压电陶瓷，当人们使用打火机时，弹簧力施到压电陶瓷上，就产生电荷，形成高电压。这种瞬间高压，通过电路中的间隙时，就会高压放电而发生电火花，从而点燃气瓶中的易燃气体（丁烷）。家庭中煤气灶点火，也常用压电点火。这种压力所产生的电压很高，例如500千克／平方厘米的压力，可形成5～15千伏／厘米的电压。

这种能在压力作用下产生电荷的陶瓷，称为压电陶瓷。压力产生电荷的效应，称正压电效应。而反过来，施加电讯号，陶瓷中也会产生机械振动，称之为逆压电效应。因此压电陶瓷可做成换能器，通过它可以把机械能变成电能，也可把电能变成机械能。为什么向压电陶瓷施加压力就能产生电？因为当无外力作用时，材料内的正负电荷中心是重合的，正负抵消，故材料整体不显带电。但当施加压力时，材料会发生形变，使正负电荷中心不重叠，从而引起材料表面带电：一面带正电，另一面带负电。

利用上述的压电效应，可开发很多应用。前述的压电点火，还可用作引信引爆。作战中反坦克火箭中，希望弹头一碰到坦克钢板就立刻爆炸，而不应该落地后再爆炸（但通常的引信常延时爆炸）。利用压电引信可瞬间爆炸。在珍宝岛战役中，40火箭筒中就应用了压电激发装置及压电引信，40火箭筒曾大批生产，为保卫边疆立下了汗马功劳。民用方而，我国的压电打火机产量已压倒日本，居世界前列。

在火气中，人们依靠无线电波（雷达）进行通讯，然而在水下或地层中，无线电波的波长较短，频率较高，易被吸收而衰减，故无法使用。而声波或超声波的频率较低，波长也较长，因此衰减比较少，可传播很远。利用压电陶瓷做的声纳系统用于水下侦察，好比千里眼、顺风耳：当发出声讯号，接收回波，就可判断目标的远近和方位，能进行水下通讯、导航、侦察、探雷等功能。在海岸安装声纳阵列，就可了解水下敌情，使广大海域内的水下动静了如指掌。早些年，我国渤海渔民曾发现海面上有漂浮电缆，后来才知道是敌方潜艇进入了我海域。当我海岸安装了声纳站后，敌潜艇再也不敢闯进我领海了。压电陶瓷做的渔探器，可探测水下鱼群，知道是带鱼还是黄鱼，指导渔民有效捕鱼。压电测深仪可测水深，测地震仪可了解远处地震情况。建造大桥或巨型建筑物常常要耗费巨资，利用压电传感器可以监视它的“健康”情况，并将数据传入远程电脑，做到大桥或大厦有险情时可以“呼救”。测漏仪可检查地下水管泄漏地点。石油勘探中，测井仪可了解地下含油层的位置。我们要看电视，就要用到超声遥控器，它具有控制、开关、选频道、变化音量等功能。压电陶瓷做的超声波探头，可发射声波进入人体，接收回波后，可在屏幕上看到软组织图像（肝、心脏、胎儿等）。还可做成血压计、心音计、脉象仪等。稿子写好后要打印，就要用到喷墨打印机。这是利用打印的电讯号脉冲，施加到墨水容器的压电陶瓷片上，使压电片尺寸变化，引起容器体积收缩，从而喷出墨点。

压电陶瓷还可做成话筒，在人讲话的声压作用下，陶瓷内会产生与人声音相对应的电讯号而传输出去。压电元件配上电路，可成为蜂鸣器或电子乐器，产生优美动听的声音。蜂鸣器应用面非常广，产量极其巨大（以数十亿件计），如电子门铃、新年音乐贺卡等，它可以发送音乐及某些设备中的声讯号。最近发展的声音合成器件，工作电压很低，如2．8伏可产生100分贝声压，功耗低，对磁卡无影响，音质优良。可用于对讲机、电子翻译机、立体声系统及手提音频装置。压电陶瓷元件植入人耳，将可能使聋人听到声音，这是上海硅酸盐所和华山医院正在进行的合作科研项目。

人们知道所谓马达就是能将电压输入而产生机械转动的机器。压电陶瓷在电场作用下，可产生机械伸缩，只要通过机械转换，就能使这种伸缩转换成转动或直线移动，这就是压电马达，又称驱动器。它比普通马达具有更多优点：响应快、转矩大、低噪音、易和电脑接口配接实现智能化，利用电池电压就可动作。因此发展了许多应用：照相机自动调节焦距，军用望远镜调焦，高速磁浮列车，微型医疗设备（如三维手术刀，它可使创口大为减小），汽车自动控制，导弹自动瞄准，导弹飞行时偏角的控制等。据了解，美军方花费了巨大力量研制所谓灵巧子弹，以达到百发百中。此外登陆火星的机器人的手关节也使用上了压电驱动器。

压电陶瓷制造的压电陀螺仪是自动控制系统中的基本元件，能抑制飞行器的横滚振动，保持飞行平稳，波音747等飞机均用过。又例如舰船上的跟踪雷达天线常因海上风浪而摇晃，使跟踪失灵而丢失目标，压电陀螺仪就可以克服这类摇晃的影响，提高各类飞行器（飞机、导弹、鱼雷、大炮）的稳定性，对跟踪的准确性起到决定作用。

压电陶瓷可制成变压器，现代人们广泛应用掌上电脑、手提电脑、数字摄像机等，均希望它们小而轻。

这些设备中均用到液晶显示屏，其背景光源的照明电压达到1000伏或500伏（启动电压及维持电压），要用高压变压器，但普通变压器尺寸既大且重，压电变压器就可满足要求。它还可用于高压电棒、高压防盗、空气清新、臭氧消毒及复印机中的高压。目前压电变压器的世界年产值已达数十亿元。

压电滤波器是利用压电陶瓷的谐振效应，多用于通讯电路中。它只允许一定频段的电波通过，而其余频段的电波则不能通过、或完全被吸收。现代通讯电路中缺少它就无法工作，调频及调幅收音机、电视、彩电中均离不开它。