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具有壓電效應的壓電陶瓷

壓電陶瓷廣泛應用於功能陶瓷中。日常生活中很多人使用的“電子打火機”和煤氣爐上的電子點火器就是壓電陶瓷的應用之壹。點火器是利用壓電陶瓷的壓電特性對其施加力,使其產生10千伏以上的高壓,從而產生火花放電,達到點火的目的。

壓電陶瓷實際上是壹種經過極化處理後具有壓電效應的鐵電陶瓷。它是在1946證實鈦酸鋇陶瓷具有鐵電性時產生的。差不多十年後,Jaffe等人發現了PbTi03-PbZrO2體系(所謂的PZT體系),後來又發現了基於mPZT的三元壓電陶瓷和鈮酸鹽壓電陶瓷。壓電陶瓷的性能和適用性有了很大的提高。特別是三元壓電陶瓷的出現,給了壓電陶瓷更大的空間來選擇壹定的耦合系數和溫度特性,可以滿足各種電子儀器的要求,從而大大增加了壓電陶瓷的應用範圍。如陶瓷濾波器和陶瓷鑒頻器、電聲換能器、水聲換能器、聲波計的波器件、電光器件、紅外探測器、壓電陀螺等都是壓電陶瓷在現代電子技術中的應用。

什麽是壓電陶瓷?實際上是壹種能將機械能和電能相互轉化的功能陶瓷材料。所謂壓電效應,是指當某些介質受到機械壓力時,即使壓力小到聲振動,也會產生壓縮或伸長等形狀變化,使介質表面帶電。這就是正壓電效應。相反,當施加壹個激勵電場時,介質會產生機械變形,這就是所謂的逆壓電效應。

1880年,法國兄弟發現了“壓電效應”。從65438年到0942年,美國、前蘇聯和日本制造了第壹種壓電陶瓷材料——鈦酸鋇。1947年,第壹個壓電陶瓷器件——鈦酸鋇拾音器誕生了。50年代初,另壹種壓電陶瓷材料鋯鈦酸鉛研制成功。從此,壓電陶瓷的發展進入了壹個新的階段。從60年代到70年代,壓電陶瓷不斷改進,逐漸完善。比如經過多種元素改良的鋯鈦酸鉛二元壓電陶瓷,基於鋯鈦酸鉛的三元和四元壓電陶瓷也應運而生。這些材料性能優良,制造簡單,成本低廉,應用廣泛。

利用壓電陶瓷將外力轉化為電能的特性,可以制造壓電點火器、移動式X射線電源和炮彈起爆裝置。用兩根直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱代替普通火石,可以制成能連續擊打數萬次的氣體電子打火機。利用壓電陶瓷將電能轉化為超聲波振動,可用於探測水下魚類的位置和形狀,對金屬進行無損檢測,進行超聲波清洗和醫療。還可以做成各種超聲波刀具、焊接器、烙鐵,加工塑料甚至金屬。

壓電陶瓷對外力敏感,甚至可以感知十幾米外飛蟲拍動翅膀的擾動,將極其微弱的機械振動轉化為電信號。利用壓電陶瓷的這壹特性,可將其應用於聲納系統、氣象探測、遙測環保、家用電器等。

如今,壓電陶瓷已被科學家們應用於國防建設、科學研究、工業生產和許多與人民生活密切相關的領域,成為信息時代的通才。

在航天領域,由壓電陶瓷制成的壓電陀螺是宇宙飛船和人造衛星在太空飛行的“方向舵”。依靠“舵”,飛船和人造衛星可以保證它的既定方位和路線。傳統的機械陀螺壽命短、精度差、靈敏度低,不能滿足航天器和衛星系統的要求。小巧的壓電陀螺靈敏度高,可靠性好。

在潛入深海的潛艇上,安裝了被稱為水下偵察兵的聲納系統。是水下導航、通信、偵察敵艦、清理敵雷等不可或缺的裝備。它也是開發海洋資源的有力工具。它可以探測魚群,探索海底地形。在這個聲納系統中,有壹雙明亮的“眼睛”——壓電陶瓷水聲換能器。當水聲換能器發射的聲信號擊中壹個目標時,會產生反射信號,被另壹個接收水聲換能器接收,從而發現目標。目前,壓電陶瓷是制作水聲換能器的最佳材料之壹。

在醫學上,醫生將壓電陶瓷探頭放在人體的檢查部位,通電後發出超聲波,然後將超聲波傳到人體內,接觸人體組織後產生回波,再接收回波並顯示在熒光屏上,這樣醫生就可以了解人體的內部情況。

在工業上,地質探測器中有壓電陶瓷元件,可以用來判斷地層的地質情況,尋找地下礦藏。電視機中還有壹種變壓器——電壓陶瓷變壓器,體積更小,重量更輕,效率60% ~ 80%,能承受3萬伏的高壓,保持電壓穩定,徹底消除電視圖像模糊變形的缺陷。目前國外生產的電視機大多采用壓電陶瓷變壓器。壹個15英寸的顯像管,使用壹個75毫米長的壓電陶瓷變壓器就可以了。這使得電視機更小更輕。

壓電陶瓷在日常生活中也有廣泛的應用。用兩根直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱代替火石制成的普通氣體電子打火機,可連續打火數萬次。用同樣原理制成的電子點火槍是點燃煤氣爐的極好用具。還有壹種用壓電陶瓷元件制成的兒童玩具。比如在玩具小狗的肚子裏安裝壹個壓電陶瓷制成的蜂鳴器,玩具就會發出逼真有趣的聲音。

隨著高科技的發展,壓電陶瓷的應用將會越來越廣泛。除了用於高科技領域,更多的是為了日常生活中人們的眼睛,為人們創造更美好的生活。

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