压电陶瓷的相关历史及应用.doc

压电陶瓷的相关历史及应用1.1压电陶瓷历史 压电陶瓷是一能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。压电效应是指某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力微小得像声波振动那样小，都会产生压缩或伸长等形状变化，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。 1880年法国人居里兄弟发现了压电效应。1942年，第一个压电陶瓷材料-钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。1947年，钛酸钡拾音器-第一个压电陶瓷器件诞生了。50年代初，又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料-锆钛酸铅研制成功。从此，压电陶瓷的发展进入了新的阶段。60年代到70年代，压电陶瓷不断改进，逐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷，以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异，制造简单，成本低廉，应用广泛。 80年代后期至今，人们研制出驰豫铁电体陶瓷材料，在此基础上有成功研制出驰豫铁电体单晶材料，为三维超声波成像奠定了基础。目前，人们将纳米技术应用到压电材料的制作工艺上已取得新的突破。表1示出四种压电材料性能对比gd g k 居里点 水晶（石英） 4.5 2.3 53 10 1200 罗息盐 200 165 93 54 40 钛酸钡 1700 190 12 45 120 锆钛酸铅 2100 410 22 65 300 从表1 可看到，锆钛酸铅材料是当前性能较好应用最广的材料，通过改性，性能还可进一步改善，能够用于制作各种压电器件。上世纪70年代初期，人们在锆钛酸铅材料二元系配方(ZrTi)O3大基础上又研究了加入第三元改性的压电陶瓷三元系配方，如铌镁酸铅系为(Mg1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，可广泛用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆方面。如铌锌酸铅系(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，主要用来制造性能优良的陶瓷滤波器及机械滤波器的换能器。 近年来，人们又在三元系压电陶瓷配方基础上又研究了四元系压电陶瓷材料，如(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)(ZrTi)O3，(Mn1/2Ni1/2)(Mn1/2Zr1/2)(ZrTi)O3等，可用来制造滤波器和受话器等。 目前，世界各国正在大力研制开发无铅压电陶瓷，以保护环境和追求健康，预计2008后形成产业化生产。1.2压电陶瓷应用 利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。 压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性，可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。 在潜入深海的潜艇上，都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备，也是开发海洋资源的有力工具，它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中，有一双明亮的眼睛-压电陶瓷水声换能器。当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号，这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收，于是，就发现了目标。目前，压电陶瓷是制作水声换能器的最佳材料之一。 在医学上，医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位，通电后发出超声波，传到人体碰到人体的组织后产生回波，然后把这回波接收下来，显示在荧光屏上，医生便能了解人体内部状况。 在工业上，地质探测仪里有压电陶瓷元件，用它可以判断地层的地质状况，查明地下矿藏。还有电视机里的变压器-电压陶瓷变压器，它体积变小、重量减轻，效率可达60%80%，能耐住3万伏的高压，使电压保持稳定，完全消除了电视图象模糊变形的缺陷。 在航天领域，压电陶瓷制作的压电陀螺，是在太空中飞行的航天器、人造卫星的舵。依靠舵，航天器和人造卫星，才能保证其既定的方位和航线。小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高，可靠性好。 在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具都会发出逼真有趣的声音。 压电陶瓷在汽车上应用越来越广泛。在汽车的制动器活塞里安装一种简单的压电陶瓷致动器，向内部制动杉块的支撑板施加“抖动”频率，有效抑制产生尖利噪音的振动，从而能在温度湿度变化和刹车系统正常磨损的情况下发挥作用。 压电陶瓷也可用作汽车的压电陶瓷爆震传感器、超声波传感器、加速度传感