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壓電陶瓷的原理及應用

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壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料-壓電效應,壓電陶瓷除具有壓電性外,還具有介電性、彈性等,已被廣泛應用于醫學成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達等。壓電陶瓷利用其材料在機械應力作用下,引起內部正負電荷中心相對位移而發生極化,導致材料兩端表面出現符號相反的束縛電荷即壓電效應而制作,具有敏感的特性,壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等,除了用于高科技領域,它更多的是在日常生活中為人們服務,為人們創造更美好的生活而努力。


常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛二元系及在二元系中添加第三種ABO3(A表示二價金屬離子,B表示四價金屬離子或幾種離子總和為正四價)型化合物,如:Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等組成的三元系。如果在三元系統上再加入第四種或更多的化合物,可組成四元系或多元系壓電陶瓷。此外,還有一種偏鈮酸鹽系壓電陶瓷,如偏鈮酸鉀鈉(Na0.5·K0.5·NbO3)和偏鈮酸鍶鋇(Bax·Sr1-x·Nb2O5)等,它們不含有毒的鉛,對環境保護有利。


先來看一種新型自行車減震控制器,一般的減振器難以達到平穩的效果,而這種ACX減震控制器,通過使用壓電材料,提供了連續可變的減震功能。一個傳感器以每秒50次的速率監測沖擊活塞的運動,如果活塞快速動作,一般是由于行駛在不平地面而造成的快速沖擊,這時需要啟動的減震功能;如果活塞運動較慢,則表示路面平坦,只需動用較弱的減震功能。 綜上所訴:壓電陶瓷是矢量轉換材料 力--->;電 電--->;力 1次力電轉化,典型應用:壓電點火,稱量傳感 1次電力轉換:制動器,執行器 電-->;力--->;形變--->;振動----聲波-->;電聲-->;超聲等 形變--->;位移-->;檢測 電->;力-->;電,壓電變壓器等等~ 可以說,壓電陶瓷雖然是新材料,卻頗具平民性。它用于高科技,但更多地是在生活中為人們服務,創造美好的生活。壓電陶瓷的主要原料還包括鉛等有毒物質。下一階段,無鉛壓電陶瓷和低溫壓電陶瓷將是發展的方向。


主要用途


1、聲音轉換器聲音轉換器是常見的應用之一。像拾音器、傳聲器、耳機、蜂鳴器、超聲波探深儀、聲納、材料的超聲波探傷儀等都可以用壓電陶瓷做聲音轉換器。如兒童玩具上的蜂鳴器是電流通過壓電陶瓷的逆壓電效應產生振動,而發出人耳可以聽得到的聲音。壓電陶瓷通過電子線路的控制,可產生不同頻率的振動,從而發出各種不同的聲音。例如電子音樂賀卡,是通過逆壓電效應把交流音頻電信號轉換為聲音信號。
2、壓電引爆器自從一戰中英軍發明了坦克,并在法國索姆河的戰斗中使用而重創了德軍后,坦克在多次戰斗中大顯身手。然而到了20世紀六七十年代,由于反坦克武器的發明,坦克失去了昔日的輝煌。反坦克炮發射出的穿甲彈接觸坦克,會馬上爆炸,把坦克炸得粉碎。這是因為彈頭上裝有壓電陶瓷,它能把相碰時的強大機械力轉變為瞬間高電壓,爆發火花而引爆炸藥。
3、壓電打火機煤氣灶上用的一種新式電子打火機,是利用壓電陶瓷制成的。只要用手指壓一下打火按鈕,打火機上的壓電陶瓷能產生高電壓,形成電火花而點燃煤氣,可以長久使用。所以壓電打火機不僅使用方便,安全可靠,而且壽命長,例如一種鈦鉛酸鉛壓電陶瓷制成的打火機可使用100萬次以上。[2] 
4、防核護目鏡核試驗員帶上用透明壓電陶瓷做成的護目鏡后,當核爆炸產生的光輻射達到危險程度時,護目鏡里的壓電陶瓷把它轉變成瞬時高壓電,在1/1000s里,能把光強度減弱到只有1/10000,當危險光消失后,又能恢復到原來的狀態。這種護目鏡結構簡單,只有幾十克重,安裝在防核護目頭盔上攜帶十分方便。
5、超聲波換能器適用于用于超聲波焊接設備以及超聲波清洗設備,主要采用大功率發射型壓電陶瓷制作,超聲波換能器是一種能把高頻電能轉化為機械能的裝置,超聲波換能器作為能量轉換器件,它的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率(即超聲波)再傳遞出去,而它自身消耗很少的一部分功率。
6、聲納在海戰中,很難對付的是潛艇,它能長期在海下潛航,神不知鬼不覺地偷襲港口、艦艇,使敵方大傷腦筋。如何尋找敵潛艇?靠眼睛不行,用雷達也不行,因為電磁波在海水里會急劇衰減,不能有效地傳遞信號,探測潛艇靠的是聲納------水下耳朵。壓電陶瓷是制造聲納的材料,它發出超聲波,遇到潛艇便反射回來,被接收后經過處理,可測出敵潛艇的方位、距離等。


常見運用


1:正逆壓電效應應用
2:壓電陶瓷蜂鳴器|揚聲器
3:壓電陶瓷拾音器
4:壓電變壓器
5:壓電陶瓷點火器

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