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简述压电陶瓷

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压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料,属于无机非金属材料,是一种具有压电效应的陶瓷材料。与压电单晶材料相比,具有机电耦合系数高,压电性能可调节性好,化学性质稳定,易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品、价格低廉等优点。它具有压电效应。所谓压电效应是正电压效应和负电压效应。前者是指由应力诱导出极化或电场的现象,后者则是由电场诱导出应力或应变的现象,二者统称为压电效应。目前为止,压电陶瓷的这种压电效应已被广泛应用于与人们生活息息相关的许多领域,遍及卫星广播、电子设备、生物、航空航天、医疗卫生、日常生活等等。由此可见压电陶瓷的应用十分广泛,研究意义非常重大。 一些材料在机械应力作用下,引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化,导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象,称为压电效应。具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷,它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。反之,当这类材料在外电场作用下,其内部正负电荷中心移位,又可导致材料发生机械变形,形变的大小与电场强度成正比。 常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子,B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物,如:Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物,可组成四元系或多元系压电陶瓷。此外,还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷,如偏铌酸钾钠(Na0.5·K0.5·NbO3)和偏铌酸锶钡(Bax·Sr1-x·Nb2O5)等,它们不含有毒的铅,对环境保护有利。

目前,我国所使用的压电陶瓷体系主要是铅基压电陶瓷,材料其中含铅化合物PbO(或Pb3O4)约占原料总质量的百分之七十左右。由于含铅化合物在高温时具有挥发性,这些材料在生产、使用、废弃过程中都会对人类健康和生态环境造成很大的危害。在生产过程中PbO粉尘以及在高温下合成或烧结中挥发出的PbO,易造成环境污染,并且通过水和食物链进行扩散。其被人体吸收后会在人体内集聚,引起铅中毒,使人的神经系统受到损伤,严重的可能导致脑瘫和肾功能衰竭。其中含铅物质PbO的挥发也会造成陶瓷的化学计量比偏离配方中的化学计量比,造成产品的一致性和重复性降低。若对含铅陶瓷材料进行回收,将造成很大的成本负担。因此,无铅压电陶瓷是当今研究压电陶瓷的一个重要方向,开发非铅基环境协调性压电陶瓷材料具有重大实用意义。从结构分组来看,可供选择的无铅压电陶瓷组分主要有:钙钛矿结构(如:BaTiO3,NaNbO3-KNbO3,Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)等), 铋层状结构(如:Bi4Ti3O12,CaBi4Ti4O15等)及钨青铜结构(如:SrxBa1–xNb2O6,Ba2NaNb5O15等)三类。目前国内外研究无铅压电陶瓷体系主要包括BaTiO3基无铅压电陶瓷,(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷,铋层状结构无铅压电陶瓷及铌酸盐基无铅压电陶瓷(包括钙钛矿结构的碱金属铌酸盐和钨青铜结构铌酸盐)。

自上世纪60年代初期,人们开始意识到研发无铅压电陶瓷的重要性以来,无铅压电陶瓷的发展已经历近半个世纪。然而虽然出现了众多具有使用前景的陶瓷体系,但与铅基压电陶瓷相比,无铅压电陶瓷的性能还存在很大差距,总体性能仍有待进一步提高。当前所研究的无铅压电陶瓷还不能完全取代铅基压电陶瓷,还需要进行很多实验和基础理论的研究,以探索和寻找新的、性能全面可达到铅基压电陶瓷的无铅陶瓷材料。世界各国高度重视这方面的研究,大量的研究结果表明,无铅压电陶瓷的发展趋势主要有三个方面:⑴开发新的无铅压电陶瓷体系;⑵对现有的无铅压电陶瓷体系作进一步的掺杂改性和A、B位取代的基础理论研究,选择合适的改性剂,优化材料的压电性能;⑶开发新型无铅压电陶瓷制备技术,使陶瓷的微观结构呈现一定的单晶体特征也是提高现有无铅压电陶瓷体系性能的一条重要途径之一。

压电陶瓷的应用十分广泛。大体来说,可分为频率控制、换能传感和光电器件等方面。 压电频率控制器件包含有滤波器、谐振器、延迟线等,这类器件适用于微机、彩电延迟电路等中。压电陶瓷片在外加交变电压作用下,会产生一定频率的机械振动。在一般情况下,这种振动的振幅很小,但是当所加电压的频率与压电振子的固有机械振动频率相同时就会引起共振,造成振幅大大增加。这时交变电场通过逆压电效应产生应变,应变又通过正压电效应产生电流,从而实现电能和机械能的最大限度互相转换,形成振荡。利用压电振子这一特点,可以制造各种滤波器、谐振器等,其频率稳定性好,精度高,使用频率范围宽,体积小,不吸潮,寿命长,特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性,所以目前已取代了相当大一部分电磁振荡器和滤波器,而且这一趋势还在不断发展中。

压电陶瓷在交变电场作用下,会产生伸缩振动,从而向介质中发射声波。当交变电场的频率与压电陶瓷的固有机械频率相近时会产生共振,它能发出很强的超声波振动,因而可利用所产生的高强度超声波来改变物质的性质和状态,如超声清洗、超声乳化以及制作各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对塑料甚至金属进行加工等。压电晶体产生的超声波在戒指中传播,越到障碍物时,大部分声波能被折回形成回波,回波再被压电晶体接收转变为电信号,电信号的幅度与给定频率下的声信号的幅度成比例。根据此电信号的各种参量,可以进行超声医疗,对金属进行无损探测以及探测水下物体等。其中把声能转换为电能的换能器叫做接收器或水听器;把电能转换为声能的换能器叫做发射器。声纳即为压电陶瓷在这方面上的一个大应用方向。有些声纳用同一只换能器来发射和接收声音;另一些则使用分开的发射器和水听器。其应用于水下导航、通讯、侦查敌舰、清扫敌布水雷、探测鱼群及勘查海底地形地貌等。另外,由压电陶瓷发声元件和振荡电路组成的压电蜂鸣器、送话器、受话器、压电喇叭等,应用十分广泛,其具有无触点、高可靠性、无射电噪音、音色清晰、适宜集成化等优点。利用压电陶瓷具有敏感的特性,可以将极其微弱的机械振动转换成电信号,可应用于声纳系统、气象探测、遥感遥测、环境保护、家用电器等。根据敏感特性能制作出压电地震仪,能够精确测出地震的强度,只是地震发生的方位和距离。利用压电陶瓷在电场作用下产生微小形变量可以制作精确控制机构:压电驱动器,其在精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域发挥着重大作用。而利用压电陶瓷能将外力转换成电能的特性,可用于计算测量,如测量压力和加速度的压电力敏传感器,还可用于制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置等。

压电陶瓷也广泛用于日常生活中。用了两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代了普通的火石制成的气体电子打火机,可连续打火几万次。利用同一原理制成的电子点火枪是点燃煤气炉极好的用具。压电陶瓷的应用问题,一方面在环保的非铅基材料的性能价格比上提升,从而扩大市场销售量。另一方面为适应现代化科学技术的发展而不断开发新的压电应用领域,其中压电声敏、力敏、热敏和气敏等优质高档传感器仍将是开发的重点。目前所研究的无铅压电陶瓷还不能完全取代铅基压电陶瓷,还需要进行很多实验和基础理论的研究,以探索和寻找新的、性能全面可达到铅基压电陶瓷的无铅陶瓷材料。另外,开发生物压电陶瓷和压电类智能陶瓷制品具有广泛的应用前景。总之,压电陶瓷的未来、前景是十分光辉的,随着新型压电陶瓷材料和压电陶瓷生产工艺的提高,压电陶瓷必将得到更快,更大的发展。

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