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壓電陶瓷有哪些應用?你兜里可能就有!

發布時間:2021-07-12 14:50:05

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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前言

壓電陶瓷對我們來說已經很熟悉了,它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。




除了應用于高科技領域, 壓電陶瓷在日常生活中應用也不少。例如,我們身邊抽煙的朋友不少,一般情況下會兜里都會裝個打火機,現在常用的打火機大多數都是由壓電陶瓷通過尖端放電點燃的。

下圖是打火機的點火裝置實物圖和結構示意圖,我們看到它里面用到了兩粒柱狀壓電陶瓷。當我們按壓打火按鈕時,彈簧會推動一個重錘打擊壓電陶瓷柱,產生一數千伏的高壓火花,點燃可燃氣體。


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壓電陶瓷的應用

壓電陶瓷的應用十分廣泛。大體說來,可分為頻率控制、換能傳感和光電器件等方面。


1、壓電陶瓷頻率控制器件

壓電頻率控制器件有濾波器、諧振器和延遲線等,這類器件使用于道倍機、微機、彩電延遲電路等中。壓電陶瓷片(壓電振子)在外加交變電壓作用下,會產生一定頻率的機械振動。在一般情況下這種振動的振幅很小,但是當所加電壓的頻率與壓電振子的固有機械振動頻率相同時會引起共振,振幅大大增加。這時,交變電場通過逆壓電效應產生應變,而應變又通過正壓電效應產生電流,電能和機械能最大限度地互相轉換,形成振蕩。利用壓電振子這一特點,可以制造各種濾波器、諧振器等,其頻率穩定性好,精度高,適用頻率范圍寬,體積小,不吸潮,壽命長,特別是在多路通信設備中能提高抗干擾性,所以目前已取代了相當大一部份電磁振蕩器和濾波器,而且這一趨勢還在不斷發展中。


2、壓電換能器

壓電換能器是利用壓電陶瓷的壓電效應和逆壓電效應實現電能和聲能的相互轉化。壓電超聲換能器就是其中的一種, 它是水下發射和接收超聲波的水聲器件。處于水中的壓電換能器在聲波的作用下, 換能器兩端會感應出電荷來, 這就是聲波接收器;若在壓電陶瓷片上施加一個交變電場, 陶瓷片就會時而變薄時而變厚, 同時產生振動, 發射聲波, 這就是超聲波發射器。壓電換能器在工業中還被廣泛用作水中導航、海洋探測、精密測量、超聲清洗、固體探傷以及醫學成像、超聲診斷、超聲疾病治療等方面。當今壓電超聲換能器的另一個應用的領域是遙測和遙控系統, 其具體應用實例主要有:壓電陶瓷蜂鳴器、壓電點火器、超聲顯微鏡等。


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3、光電方面的應用

壓電陶瓷除具有壓電效應外,還有熱釋電效應、光彈、光電效應。這方面應用器件有:光調制器、光閥、電光顯示、光信息儲存、映象儲存和顯示、電控多色濾波器。透明鐵電壓電陶瓷(PLZT)是一種很有價值的新型電子材料,開辟了壓電陶瓷材料在電光應用上的發展,其具有易于加工成各種不同尺寸和形狀的制品,控制組成性質可變范圍寬,成本低等特點。


4、壓電驅動器

壓電驅動器由壓電陶瓷材料鋯鈦酸鉛(PZT)制造而成。如果采用單板型壓電陶瓷PZT,1cm厚的PZT要想得到10微米左右的驅動位移,則兩端需要施加5KV的電壓。給PZT施加如此高的電壓,可能會使絕緣擊穿而引起機械破壞。因為壓電陶瓷的變形量與厚度無關,由此人們開發出了層疊式壓電驅動器。將壓電陶瓷做成很薄的薄片(現在已經能制造出0.05毫米壓電陶瓷薄片),將多片壓電陶瓷基片,采用機械上串連、電路上并連,然后燒結在一起的方式制成。這樣,給它施加數百伏的電壓便可得到很大的驅動位移。在應用中,人們還開發出了體積小、無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度高的柔性鉸鏈結構用于位移放大。


5、微定位器

微定位器主要用于微米級及亞微米級精度的定位控制,如光學儀器的生產,光纖對接,高精度三維微動臺,高精度機加工及隧道效應的研究等。在定位技術中,傳統的定位裝置,如滾動或滑動導軌、精密螺旋楔塊機構、渦輪-凹輪機構、齒輪-杠桿式機構等機械傳動式微位移驅動器構成定位機構,由于存在著較大的間隙和摩擦,所以無法實現超精密定位。而采用壓電驅動器結合柔性鉸鏈放大機構,可以克服上述缺點而實現微納米級的超精密定位。


6、超聲馬達

超聲馬達是一種新型電機,它是靠壓電陶瓷材料作為驅動器。在交變電場下,陶瓷產生伸縮現象,在彈性體中激發某種類型的超聲頻率振動和波動時,彈性體的表面借助于摩擦力,推動與其接觸的物體運動。通常要通過各種振動模式轉換與復合,壓電馬達才能將壓電體的簡單伸縮模式變成需要的可用來產生旋轉或直線運動的驅動模式。


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7、振動主動控制

振動主動控制利用了壓電陶瓷的智能功能(壓電陶瓷既能感知噪聲信號,又能發出與噪聲信號相位相反、強度相等的聲信號,以抵消噪聲的功能),它主要用于飛機、潛水艇、軍用車輛的噪聲主動控制,是一項很有用途的高新技術,在未來的軍事領域將起著很重要的作用。


8、超聲醫療

壓電超聲醫療儀中應用最廣的是B型超聲診斷儀。這種診斷儀中有用壓電陶瓷制成的超聲波發生探頭,它發出的超聲波在人體內傳輸,體內各種不同組織對超聲波有不同的反射和透射作用。反射回來的超聲波經壓電陶瓷接收器轉換成電信號,并顯示在屏幕上,據此可看出各內臟的位置、大小及有無病變等。B型超聲診斷儀通常用來檢查內臟病變組織(如腫塊等)。壓電陶瓷還可應用于超聲治療。進入人體的超聲波達到某一強度時,能使人體某一部分組織發熱、輕微振動,起到按摩推拿作用,達到治療的目的,如用于治療關節、肌肉及其他軟組織的創傷和勞損。此外,還可用超聲波粉碎體內結石,如膽結石、腎結石、尿路結石等。



總結

作為現代工業生產中的主要功能材料,壓電陶瓷憑借著眾多優勢得到諸多高新產業的青睞,如電子技術、航空航天、生物研究等。相信隨著相關技術水平提高,壓電陶瓷材料質量將會得到更大提升,并在更多行業中得到應用,通過自身優勢推動材料發展。



參考來源:

[1]賀興輝等.壓電陶瓷材料的應用與發展分析

[2]程仁志等.壓電陶瓷的應用進展與發展趨勢

[3]程院蓮等.壓電陶瓷應用研究進展

[4]山川.粉體網


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