压电陶瓷的应用

1、1911年荷兰物理学家昂尼斯发现，当温度降至绝对温度42 K时，汞（水银）的电阻突然变为零（最初 的测量者是Gilles Holst）。人们把电阻为零时的状态称为超导态，相应的温度称为该物质的超导临界温度， 用Tc表示。昂尼斯曾想，水银的电阻为零，可以通以很大的电流而不发热，这便可产生很强的磁场。但 他做相应的实验失败了。因为，即使临界温度丁方旦通过超导体的电流超过某一临界值Ic，或磁场超过某 一临界值Hc时都会破坏超导态，而变为常态，因而物质的三临界常数是相互关联的。二.超导电性及其物理原理超电导材料处于超导电态时具有两个完全独立的基本性质一一零电阻性和完全抗磁性。零电阻性质物质为什么有电阻

2、？电阻大小与什么有关？这要从物质结构说起。金属是由周期性排列的正离子晶格 和处于游离状态的自由价电子组成，价电子在晶格见杂乱无章地运动，其平均速度矢量为零，不呈现定向 电流。如果外加一电场，则电子获得附加的定向运动，形成电流。对于完全周期性晶格，它对电子的定向 运动没什么影响（阻碍），不造成电阻；当晶格的周期性受到破坏时，电子的定向运动受影响（阻碍）， 折旧是金属中电阻的起源。有哪些因素破坏晶格的周期性呢？首先是由于晶格的热运动；使之绕各自的平 横位置振动，破坏周期性；其次是由于缺陷（正离子站错位置）和杂质的存在，破坏其周期性。在低温时， 电阻率可表示为p= p+AT5式中A为常量（只随材料而

3、异），T是绝对温度，比来自晶格的缺陷和杂质，丁史来自晶格的热 运动。可见电阻率随温度下降而迅速减少。但为什么当温度降至临界温度二时，电阻率突然降至零呢？ 按照理论，当材料的温度降至临界温度时，金属中，两个动量等值反向的电子束缚在一起形成所谓库柏 对，库柏对的总动量为零。如果它们之中一个与晶格碰撞失去动，另一个必同时获得动量P，使 总动量保持为零，即质心不动。当外加电场时，库柏对质心获得动量，并作定向运动，形成电流。同样 理由，库柏对电子与晶格碰撞不改变质心，动量，这仍等价于电阻为零。应该指出，所谓零电阻并非绝对为“零”，而只是指在当时的实验条件下的最小可测电阻率的（百万分之一），这个数字很小，

4、不妨说是零。完全抗磁性（迈斯纳效应）超导态样品的完全抗磁性是迈斯纳发现的所以又称为迈斯纳效应，他指磁场不能进入导体内部，即使 倒替内部的磁场感应强度B = 。物理机制是：当把超导体放进磁场中时，由于电感应作用，在超导体 表面形成感应电流I （永久电流），在超导体内部，感应电流I （又称抗磁）激发的磁场和外磁场等值反 向，相互抵消。图81给出放进磁场中的超导体球体的磁感应分布情况实际上，感生电流是分布在一薄的表面层内，理论（见下一小节）和实验研究表明磁场分布按指 数衰减，其透入深度一般在i* 一 之间，因而在研究大块物体时可认为透入深度为零。三.超导电性在电力工业上的应用高温超导的实现将给电力工

5、业带来重大的变革。由于超导电性的独特性质，它将被应用在发电，输电、 储电和用电，的各个领域中，下面作简要的介绍。超导磁体用铁磁材料制成的永磁铁，它两极附近的磁场，只能达70078000高斯，由于受铁磁材料性质的限 制，要提高磁场强度便有困难；电磁铁由于铁芯磁饱和效应的限制，也只能产生25000高斯的磁场，用 通电流的铜丝圈，它产生的磁场高达10万高斯，由于热损失严重，需耗电达1600千瓦，且每分钟需用于 冷却的水量达4. 5吨。超导磁体不需水冷却，耗电极小，几万高斯的磁体只需功率几百瓦。5万高斯的铜 线圈磁体重达20吨，而超导磁体只有几百公斤。现世界上已制成的超导磁体磁感应强度已达17万高斯，

6、 正在研制，2030万高斯的超导磁体。此外，超导磁体的时间稳定性、空间均匀性和磁场梯度都比通常的 磁体高很多。超导电机世界上发电机趋向于大容量，目前单机容量已达100万千瓦，本世纪末可达1000万千瓦。发电机的 输出功率与电机.中磁场的磁感应强度和电抠的电流密度成正比。常规的磁性材料受磁性饱和的限制，故 磁感应强度要大幅度增加有困难，若用超导磁体，磁感应强度可提高515倍；常规导线允许通过的电流 密度为102103安培/厘米2,而超导线载流能力可达工104安培/厘米2,故超导电机的输出功率可以 大大提高，高达102103倍（常规电机50万千瓦重达500吨，而超导电机100万千瓦的总重也只有10

7、0 吨。从造价估计，就用液氦的低温建造100万千瓦的发电机也可以与常规电机进行竞争。由于超导电机（包 括电动机）具有输出功率高，重量轻、体积小，耗损小等优点，对航海、航空是更为理想的、动力设备。超导电缆电能在零电阻，输送是完全没有损耗的，目前由于低温获比较困难，但它必将是超导体的重要应用。 在液氦低温（4. 2K）已有实验性电缆。结论是用于超高压特大容量的电力传输，技术上是完全可能的， 经济上是特别合算的，现在已出观高温超导体，临界温度达90K，显然，应用液氮，（77K）的方法获得低温 便要容易得多了，故超导电缆的实际应用为时不久了。超导储能有人将：一个圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度

8、下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便 有感生电流产只要温度仍保持临界温度以下，电流便会持续下去，一点也不衰减，经过2年半这电流还是 丝毫不衰减。显然，这是一种理想的储能装置，称超导储能。超导储能的优点很多，主要有功率大，重量轻，体积小，损耗小，反应快等等。因此，应用也很多， 如激光仪器，要在瞬时提供数10亿到100亿焦耳的能量，这就需要超导储能装置来承担，超导储能装置 除能提供巨大功率之外，它是处于持久电流状态，使仪器长期处于戒备状态，一但需要，能迅速的将储存 的电磁能量转变为激光能量发射出去。激光仪器的特点是定向性好，输出功率大，速度快（光速）。从发 射到击中目标所需的时间极短。美国已作过用

9、激光仪器击落高速飞行的导弹的试验。有如可供大电网负荷 小时，把多余的电能储存起来，负荷大时，把电能送回电网，若把超导蓄能装置建在用电中心，也可节省 很多输电线。超导材料的特殊电磁性能有着广泛的技术应用，超导研究的新进展必将诱发出一场新的技术革命。它将波及能源、交通、 材料、激光、高能物理、地球物理勘探、空间、计量电子技术和医疗等各个领域。这是我们先介绍超导技术在研制磁悬浮列车 方面的应用。磁悬浮列车研制现状超导的重要应用领域之一是研制磁悬浮列车。1945年苏联科学家首先用液氦成功地进行了磁悬浮实验，使人们制造磁悬 浮列车的梦想逐步成为现实。目前，日本、联邦德国、英国和加拿大正在积极开发磁悬浮铁

10、路，并用于城市间和市内的交通运 输，由实验阶段转入实用营业阶段。1979年，联邦德国汉堡国际交通博览会上展出的代号为城市高速铁路-05磁悬浮列车， 在长900米的轨道上，以时速90公里运送了七万人次观众。日本代号为ML-500磁悬浮列车曾于1977年12月21日创造时 速517公里的世界纪录，1982年9月载人磁悬浮列车运行成功。世界上最早投入营业的磁悬浮列车是1984年5月英国的伯明 翰连接机场和铁路车站的长625米磁悬浮铁路，用长6米、定员30人的车辆，时速48公里，已运送乘客200万人次以上，预 想在真空遂道中运行的磁悬浮列车时速可达1600公里。磁悬浮列车的结构和工作原理我们知道，两个

11、互相平行的线圈，当两者电流方向相同时就互相吸引，反之互相排斥，如果把许多电流方向相反的线圈分 别安装在列车和轨道上，列车就会悬浮起来；同样在列车和轨道的适当位置分别安装许多电流方向相同的线圈，由于相互吸引， 可使列车前进。磁悬浮列车就是根据这一简单原理设计制成的。将上述线圈改用超导线圈，就得到一种损耗小，功率大的超导 磁悬浮列车了。如图9-1是新近研制的一种新近超导磁悬浮实验列车，长22米，宽3米，高3.7米，重17吨、定员44人，最高设计时速 420公里，其主要结构及工作原理是： 超导电磁体：它主要由超导电线圈和容纳它的超低温容器构成，其概要如图9-2所示，超导线圈放在作为内槽的 筒形容纳，

12、内槽和超导电线圈周围空间输入液氦。使超导电线圈处于超导电态。上部装有液氦贴灌，通过冷冻机将内部氦气液 化。氦气不向外泄放，是在封闭状态下循环使用。车辆起动时，由地面电源使车上超导线圈励磁，然后切断电源，超导线圈便 处于永久电流状态下工作。悬浮装置：在车厢上安置一系列超导电磁体，它的永久电流产生很强的磁场，车厢下方的轨道上安置一系列悬浮线圈 （如合铝环），当列车行驶时，车上超导磁体的磁场被地面上的铝环切割，由电磁感应，铝环中的感生电流的磁场和超导磁体的磁场方向相反，互相排斥将列车悬浮起来，悬浮高度可在10厘米左右。当列车减速或停车时，铝环中的感生电流变小或为 零，浮力不足克服列车的重量，故仍需安

13、装车轮以便支承列车，当列车高速运动时，车轮自动缩回。推进装置：在轨道两侧，装有一系列推进、导向两用线圈，通过计算机控制，由地面上电源供给该圈三相电流（其频 率与车速相对应），使之获得移动磁场，移动磁场与列车上的超导磁体的磁场互相吸引，使列车前进。导向装置：列车的导向采用与悬浮同样的原理，不同的是需要把左右导向线圈进行电气连接，使得当列车位于轨道正 中时，导向线圈的电流为零，偏离正中位置时，则及时供给相应的导向电流，此时，车上超导磁体的磁场与轨道两侧的导向电 流的磁场相互作用的导向力，使列车重新回到正中位置。压电陶瓷的应用压电陶瓷由于它的压电性以及由此引起的机电性能的多样性获得了广泛应用。一般可

14、将这些应用分成 两大类，即作为压电振子使用。作为压电振子使用时要求压电陶瓷材料有好的频率温度稳定性及较高的机械品质因数Q快（Q快表示振动转换时材料内部能量消耗的程度）；做为换能器使用时要求有较高的机械藕合系数K* =机械转变为电能/输入机械能，或尺二电能转变为机械能/输入电能）和较大的相对介电常数弓（弓句）下面给出压电陶瓷的应用。1.压电陶瓷点火器这是一种将机械力转换为电火花而点燃燃烧物的装置，是机电换能器。1958年开创利用钛酸钡（BaTiO）陶瓷的压电效应进行点火，但这种材料着火率不高，噪音大，1962年开始试用锆钛酸铅（PZT） 压电陶瓷制作点火器，这种点火器广泛应用日常生活、工业生产以

15、及军事方面，用以点燃气体和各类炸药 和火箭的引燃引爆。（1）基本原理点火器工作过程分高压产生、放电点火和点燃可燃气体三个阶段。高压产生一一以圆柱形压电陶瓷元件为例，如图5-2所示。当机械力F作用于圆柱体时，晶体发生畸变， 导致晶体中正负电荷中心偏移，从而在圆柱体上下表面出现自由电荷大量积聚，产生高压输出。放电点火一一把压电陶瓷元件放在一个闭合回路中，并留一个适当间隙，当电压升高到该间隙的 放电电压时，间隙中就产生放电火花。点燃可燃气体一一一般燃料气体不易燃烧，所以一般采用易汽化的乙烷。为延长放电时间防止火花过 快熄灭，以提高点燃率，可在放电端串入一个适当电阻。（2）点火器结构和工作原理点火器种

16、类繁多，现以家用压电点火器为例说明它的结构和工作原理。如图5-3所示的点火器，可固定在家用灶具上点燃煤气，转动凸轮开关1，利用凸轮凸出部分推动冲击块 3,并压缩冲击块后的弹簧2。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作用，冲击块给陶瓷压电元件 4一个冲击力，便在压电元件两端产生高压，并从中间电极5输出高压，产生电火花点燃气体。2.压电变压器从五十年代就开始研制压电变压器。当时以钛酸钡为主要材料。升压比较低（只有50-60倍）。输 出电压3000伏左右。随着锆钛酸铅压电陶瓷材料的出现，升压比提高到300500倍，逐步推广应用于 电视机、静电复印机、负离子发生器中做为高压电源。（1）基本原理输入

17、压电瓷片的电振动能量通过逆压电效应转换成机械振动能，再通过正压电效应又换成电能。在这 两次能量转换中实现阻抗变换（由低阻抗变成高阻抗），从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的电压输出。 现以伸缩振动的横纵向型变压器为例说明变压原理。如图5-4所示，整个陶瓷片分成两部分，左部为输入端（又称驱动部分），上、下面都有烧渗的银电极， 沿厚度方向极化，右部为输出端（又称发电部分），其右端面有烧渗的银电极。沿长度方向极化。当输入 端加上交变电压时，由于逆压电效应，瓷片产生沿长度方向的伸缩振动，将输入电能转变为机械能；而发 电部分则通过正压电效应，将机械能转变为电能，从输出端输出电压。无负载时，开路升压比为：式中

18、一材料的机械品质因数；%、弓材料的纵、横向机电耦合系数；L发电部分的长度；T- 变压器厚度。（2）压电变压器的应用压电变压器主要用于高压、低功率和正弦波变换的情况，具有输出电压高，重量轻，体积小，无泄漏 磁场、不燃烧等独特优点。为了获得多个电压输出，根据横一纵变压器的输出电压与长度成正比，越靠近 发电部分端头，电压越高，我们可在发电部分的不同位置制作电极作为抽头，从而获得不同的电压输出。如图5-5所示。压电陶瓷拾音器和扬声器压电陶瓷在电声设备上有广泛应用，例如压电陶瓷拾音器、扬声器。送受话器等都是利用压电陶瓷的 换能性质（机械能转变为电能或反过来）来研制的。（1）双膜片型振子电声设备要求机械阻

19、抗低，能与音源或振动源相正配，双膜片型压电振子能符合这些要求。它是由两 片长度伸缩的压电陶瓷片粘合而成，当一片伸长时，另一片缩短，整体做弯曲运动。图5-6给出双膜片型振子的工作原理，当一片有一定厚度的压电陶瓷受力弯曲时，在其厚度的一侧为 伸长，另一侧为压缩，此时陶瓷片内部将产生电荷，但由于整个膜片极化方向相同，而上侧为伸长，下 侧为压缩，因而引起电偶极矩相反，上下侧电荷符号相同，故不存在电位差，如图5-6（a）所示。如改用 两片叠合的双膜片结构，当受力弯曲时，则可获得电压输出。图5-6（b）使用两片极化方向相反的膜片串 联连接，受力时上面一片伸长，下面一片压缩。由于极化方向相反，因而双膜片上下两面带符号相反电荷， 可获得电压输出。图5-6（c）是用极化方向相同的两片膜片并联连接叠合而成，也可获得输出电压。（2）压电陶瓷拾音器结构和工作原理图5-7是双声道陶瓷拾音器结构图。其工作原理是：在唱机放音时，拾音器的针尖沿唱片槽（其左右槽壁还刻有振动信号）移动，产生合成的机械振动，同时由耦合件将该振动分解成两个互相垂直分量， 然后再将分量分别传入两个传感器（压电传感器常用双膜片型）的端部，使他们产生弯曲振动，最后通过 正压电效应转换并复原为左右声道的音频信号。拾音器中的橡胶固定件、橡胶阻尼件、橡胶耦合件及针杆 橡胶件的软硬、弹性和撑劲及其相对位置对器件的灵敏度、频率响应等