壓電陶瓷及其應(yīng)用

PAGEPAGE17壓電陶瓷及其應(yīng)用一.概述（原料粉碎、成型、高溫?zé)Y(jié)）因而得名。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)J·居里和P·1880年發(fā)現(xiàn)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—14C）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（BaTiO）具有異常高的介電常數(shù)，不久又BaTiO1947BaTiOBaTiO1954B·PbZrO-PbTiO（PZT）固溶體系統(tǒng)，這是一個(gè)劃時(shí)代大事，使在BaTiO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。10年左右，目前在.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，晶體在機(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。極化的微觀機(jī)理吸引力的暫時(shí)平衡統(tǒng)一的狀態(tài)。極化機(jī)理主要有三種。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。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，式中為極化率，或用電位移寫(xiě)成：m，式中為極化率，或用電位移寫(xiě)成：m，n=1，2，3壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)些對(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)，晶體將在式中分別稱為壓電應(yīng)力常數(shù)與壓電應(yīng)變X，Y，Z式中分別稱為壓電應(yīng)力常數(shù)與壓電應(yīng)變常數(shù)逆壓電效應(yīng)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。壓力效應(yīng)的機(jī)理當(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）。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。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）X三.壓電陶瓷的應(yīng)用Q（Q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K（/=機(jī)械能/）1.壓電陶瓷點(diǎn)火器

下面給出壓電陶瓷的應(yīng)用。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（BaTiO）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。（1）基本原理5-2F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)。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——一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。（2）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（50—60倍）3000300——500倍,（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。5-4所示，整個(gè)陶瓷片分成兩部分，左部為輸入端（分），（又稱發(fā)電部分）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。壓電陶瓷拾音器和揚(yáng)聲器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5-6（a）所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）過(guò)膠（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)。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，F(xiàn)V之間的關(guān)系為F=KV,KZ，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——介質(zhì)密度S——錐體有效面積話器、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)。5-10，接通交流電源后，兩0.42立方米/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)。5-11mF，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（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。獨(dú)石（多層）壓電陶瓷變壓器基本工作原理及特點(diǎn)在現(xiàn)代，壓電陶瓷制品對(duì)我們并不陌生。正壓電效應(yīng)的應(yīng)用主要用于燃?xì)恻c(diǎn)火如燃?xì)庠睿細(xì)鈾C(jī)體。逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用主要用于壓電蜂鳴器，例如音樂(lè)賀卡、門(mén)鈴．尋呼機(jī)．移動(dòng)電話機(jī)振鈴等?；竟ぷ髟頌椋寒?dāng)在壓電陶瓷片上施加一交變電場(chǎng)時(shí)，壓電陶瓷片產(chǎn)生一相對(duì)應(yīng)的形變即振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率在音頻波段內(nèi)時(shí)就會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)的音響。壓電陶瓷變壓器的基本構(gòu)成則是將一壓電蜂鳴器的應(yīng)用與一壓電點(diǎn)火（稱為驅(qū)動(dòng)端（稱為發(fā)電端）壓，視乎于壓電變壓器的結(jié)構(gòu)特征，可以是輸入低電壓、輸出高電壓（升壓型），也可以是輸入高電壓、輸出低電壓（降壓型）。若在高頻驅(qū)動(dòng)電壓上通過(guò)調(diào)制解調(diào)器加入低頻調(diào)制，則可實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)形式如圖（一）所示壓電陶瓷是一種脆性材料，為保障其機(jī)械強(qiáng)度，壓電變壓器必須有一（層）（多層）（二）所示。采用了獨(dú)石（多層）結(jié)構(gòu)后每一單層厚度和層