压电陶瓷的概念及发展应用

       摘要：压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。近几年来，压电陶瓷在全球每年销售量按15%左右的速度增长，据资料统计，2000年全球压电陶瓷产品销售额约达30亿美元以上。 本文主要介绍压电陶瓷的概念和应用范畴、应用实例、前景，带领大家了解陶瓷家族中的一员----压电陶瓷。

      关键词：陶瓷   压电陶瓷   压电效应   应用范畴   应用实例  

     一、基本概念

     压电陶瓷是指把氧化物混合(氧化锫、氧化铅、氧化钛等)高温烧结、和电能互相转换的功能陶瓷材料，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。

压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，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。这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。

                                   

     二、压电陶瓷的应用范畴

     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。
      1、在军事上，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。
      2、 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。
      3、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。在汽车上应用：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、加速度传感器等类别。压电陶瓷在汽车燃油系统的喷油器上应用目前处于最前沿的开发阶段。
      4、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。

      三、压电陶瓷的应用实例

      1.压电陶瓷喷油器

      压电陶瓷喷油器柴油机系统是迄今为止柴油机电控喷油技术中，结构完善、性能先进、技术难度大、有发展前途的电控喷射系统。它具有以下特征:高压的产生和喷油控制是分别独立进行的，喷油压力可以根据发动机的运行工况，在较宽范围内进行调节;它还能实现预喷射、主喷射以及多次喷射等;可以自由地改变喷油参数和喷油形态可以高自由度地控制燃油喷射，大大提高柴油机的燃烧效率、降低排放水平、提高发动机的性能。

     （1）、德国公司到目前为止共设计了3代高压共轨系统。第一代于1977年7月批量投放市场，喷射压力达135MPa，主要应用于轿车。第二代2000年开始批量生产，最大系统压力提高到160MPa，并开始使用具有油量调节功能的高压油泵、经改进的电磁阀喷油器，喷射循环由预喷射、主喷射和多级喷射等多次喷射组成，采用降噪新技术。第三代产品于2003年5月推出，最高压力可达160MPa。2005年末推出的第三代共轨系统的改进型采用了压电陶瓷执行器，其运动部件由原来的4个减少为1个，运动质量减少75%，开关时间比电磁阀少50%。该系统的喷射压力为160MPa，喷油器响应时间为0.lms，每次循环可实现5次喷射。目前正在开发的第四代共轨喷射系统，最高喷射压力可达25OMpa，并允许喷油压力逐步上升。

      （2）、日本电装公司:其典型代表是它的ECU一UZ系统。该系统由高压油泵、共轨、喷油器、和ECU各种传感器组成。高压油泵上有一个泵控制阀PCV，共轨压力由高压油泵的供油量来控制。安装在共轨上的压力传感器对油压进行反馈控制，使之维持在由发动机转速和负荷确定的目标值。喷油量取决于施加在三通阀上的喷油脉宽，喷油正时取决于喷油脉冲施加于三通阀的时刻。ECU一UZ系统能实现对喷油量、喷油正时、喷油速率和喷射压力这燃油喷射四大要素的独立控制。它可实现三种喷油率:三角形型喷射，靴型喷射和预喷射^[8]。日本电装公司目前的压电式共轨系统的喷射压力为180MPa，并预计在2010年提高到200MPa。

      （3）、美国德尔福公司的MuiteeDCR系统:该系统的主要部件有共用高压油轨、高压燃油调压器、高压燃油泵、燃油喷油器、电控单元、燃油滤清器和传感器等。它的喷射压力与发动机转速和负荷无关，即使在低速运行时，系统仍可保持足够压力的高压燃油喷射。可实现多次喷射，能满足欧m排放法规要求。MuiteeDCR主要采用了带有平衡控制和反馈控制策略的电控电磁阀结构的燃油喷油器11刀，它能提供极快的动作响应并精确地进行燃油流量的计量。这种响应迅速、结构紧凑、小巧玲珑的电磁阀控制的喷油器只需常规12V汽车蓄电池驱动就能正常工作，比世界上现生产的任何一种柴油机共轨喷射系统都节能，大大降低汽车电子系统设计的系统生产成本和复杂程度。整个系统采用积木式设计，便于应用于不同形式和不同种类的发动机^[9]。在2007年上海发动机及制造技术展上，德尔福展出了它最新的共轨系统。该系统采用电磁阀执行器，但其响应速度可以和压电式喷油器相媲美。在第29届维也纳汽车讨论会上举办的讲座中，德尔福展示了设计中的直动式共轨系统，它采用压电执行器直接驱动喷油器针阀，为柴油机燃油喷射技术带来了一种创新胜的概念^[10]。

      （4）、西门子VDO:最早将压电技术应用于发动机燃油喷射领域，推出了两代压电陶瓷式共轨系统。PCR2系统的喷油压力达到165MPa，可进行5次喷射，最小喷油量为l mm。2006年，西门子批量投产了第三代压电共轨喷射系统PCR3其喷射压力达到180MPa，采用的铅笔型喷油器可以进行多次喷射，它无须颗粒过滤器就能达到欧V排放标准[12]。

      （5）、我国将压电陶瓷用于柴油机电控喷射系统方面的研究起步较晚，目前在进行相关研究的单位主要有:一汽无锡油泵油嘴研究所、清华大学、天津大学、上海交通大学、浙江大学等少数单位。一起无锡油泵油嘴研究所的FCRS系统已经小批量试用，目前正在进行批量生产方面的研究。另外，该单位在第一代FCRS的基础上还进行了压电式喷油器的研究。天津大学的共轨蓄压式柴油机电控单体喷油器R钉RCUI，它基于蓄压式喷油器的工作原理，可实现对喷油规律的控制。

       2、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、工业生产以及军事方面，用以点燃气体和各类炸药和火箭的引燃引爆。

      3、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300——500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。  

      (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—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。

      4、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。
   电声设备要求机械阻抗低，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。

      5、压电陶瓷风扇和继电器
   利用压电陶瓷的逆压电效应可制成小型的压电陶瓷风扇，具有体积小，不会发热，无嘈声、低功耗、寿命长等优点。下方左图是一个压电陶瓷弯曲变形器，它由两片压电陶瓷片夹一金属薄片构成，陶瓷片在外电场作用下产生伸缩运动。若两片陶瓷片加反向电压，则一边收缩另一边伸长，使金属片弯曲变形，若外加交变电压，金属片将作周期性振动    。

压电陶瓷风扇是由两个弯曲变形器组成，如右图，接通交流电源后，两叶片就按箭头方向做往复振动、产生的风量可达0.42立方米/分钟。利用弯曲器还可制成继电器。

                                                             

      6、压电振动加速计
     

      压电陶瓷在计测仪器上有广泛的应用，这里介绍压电加速度计。
    下 图是压电陶瓷加速度计的示意图。当被测物体加速度运动时，放在上面的质量为m 的质量块夹在中间的压电陶瓷片产生压力F，由于压电效应，在陶瓷片的上下电极有电压输出，此电压与应力成正比，而应力又与加速度（也即被测物体的加速度）成正比，因而可以测得的输出电压求得运动物体的加速度。

                                                   

      四、前景

      压电陶瓷是含高智能的新型功能电子材料,随着材料及工艺的不断研究和改良,压电陶瓷的技术应用愈来愈广。 压电材料作为机、电、声、光、热敏感材料，在传感器、换能器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用，世界各国都固相反应后而成的多晶体．并通过直流高压极化处理使其具有压电效应的铁电陶瓷的统称，是一种能将机械能高度重视压电陶瓷材料的研究和开发。

随着高新技术的发展，压电陶瓷的应用必将越来越广阔。除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们眼务，为人们创造更美好的生活。

     参考文献

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