壓電陶瓷

壓電陶瓷

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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 功能陶瓷材料，屬於 無機非金屬材料。壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的 機械振動轉換成電信號，可用於 聲納系統、氣象探測、遙測環境保護、家用電器等。壓電陶瓷對外力的敏感使它可以感應到十幾米外飛蟲拍打翅膀對空氣的擾動，用它來製作 壓電地震儀，能精確地測出地震強度，指示出地震的方位和距離，這不能不說是壓電陶瓷的一大奇功。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。

目錄

基本內容

中文名：壓電陶瓷

機械能和電能：互相轉換的功能陶瓷材料

屬於：無機非金屬材料

外文名：piezoelectric ceramics

主要用於：製造超聲換能器、水聲換能器

發展歷史

1880年，居里兄弟首先發現電氣石的壓電效應，從此開始了壓電學的歷史。

1881年，居里兄弟實驗驗證了逆壓電效應，給出石英相同的正逆壓電常數。

1894年，Voigt指出，僅無對稱中心的二十種點群的晶體才有可能具有壓電效應，石英是壓電晶體的一種代表，它被取得應用。

第一次世界大戰，居里的繼承人郎之萬，最先利用石英的壓電效應，製成了水下超聲探測器，用於探測潛水艇，從而揭開了壓電應用史篇章。

第二次世界大戰中發現了BaTiO3陶瓷，壓電材料及其應用取得劃時代的進展。

1946年美國麻省理工學院絕緣研究室發現，在鈦酸鋇鐵電陶瓷上施加直流高壓電場，使其自發極化沿電場方向擇優取向，除去電場後仍能保持一定的剩餘極化，使它具有壓電效應，從此誕生了壓電陶瓷。

1947年，美國Roberts在BaTiO3陶瓷上，施加高壓進行極化處理，獲得了壓電陶瓷的電壓性，隨後，日本積極開展利用BaTiO3壓電陶瓷製作超聲換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器等各種壓電器件的應用研究，這種研究一直進行到50年代中期。

1955年，美國B.Jaffe等人發現了比BaTiO3壓電性更優越的PZT壓電陶瓷，促使壓電器件的應用研究又大大地向前推進了一大步。BaTiO3時代難於實用化的一些用途，特別是壓電陶瓷濾波器和諧振器，隨着PZT的問世，而迅速地實用化，應用聲表面波（SAW）的濾波器、延遲線和振盪器等SAW器件，在七十年代後期也取得了實化。

物質組成

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（Ba·Sr1-x·Nb2O5）等，它們不含有毒的鉛，對環境保護有利。

原理

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，首次提供了連續可變的減震功能。一個傳感器以每秒50次的速率監測衝擊活塞的運動，如果活塞快速動作，一般是由於行駛在不平地面而造成的快速衝擊，這時需要啟動最大的減震功能；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：壓電陶瓷就是矢量轉換材料力--->；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。它用於高科技，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。[2]

特性

壓電陶瓷在電場作用下產生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，別小看這微小的變化，基於這個原理製做的精確控制機構－－壓電驅動器，對於精密儀器和機械的控制、微電子技術、生物工程等領域都是一大福音。

諧振器、濾波器等頻率控制裝置，是決定通信設備性能的關鍵器件，壓電陶瓷在這方面具有明顯的優越性。它頻率穩定性好，精度高及適用頻率範圍寬，而且體積小、不吸潮、壽命長，特別是在多路通信設備中能提高抗干擾性，使以往的電磁設備無法望其項背而面臨着被替代的命運。

製造工藝

工藝流程圖如下：配料--混合磨細--預燒--二次磨細--造粒--成型--排塑--燒結成瓷--外形加工--被電極--高壓極化--老化測試。

一、配料：進行料前處理，除雜去潮，然後按配方比例稱量各種原材料，注意少量的添加劑要放在大料的中間。

二、混合磨細：目的是將各種原料混勻磨細，為預燒進行完全的固相反應準備條件.一般採取干磨或濕磨的方法。小批量可採取干磨，大批量可採取攪拌球磨或氣流粉碎的方法，效率較高。

三、預燒：目的是在高溫下，各原料進行固相反應，合成壓電陶瓷.此道工序很重要。會直接影響燒結條件及最終產品的性能。

四、二次細磨：目的是將預燒過的壓電陶瓷粉末再細振混勻磨細，為成瓷均勻性能一致打好基礎。

五、造粒：目的是使粉料形成高密度的流動性好的顆粒。方法可以手工進行但效率較低，高效的方法是採用噴霧造粒。此過程要加入粘合劑。

六、成型：目的是將制好粒的料壓結成所要求的預製尺寸的毛坯。

七、排塑：目的是將制粒時加入的粘合劑從毛坯中除掉。

八、燒結成瓷：將毛坯在高溫下密封燒結成瓷。此環節相當重要。

九、外形加工：將燒好的製品磨加工到所需要的成品尺寸。

十、被電極：在要求的陶瓷表面設置上導電電極。一般方法有銀層燒滲、化學沉積和真空鍍膜。

十一、高壓極化：使陶瓷內部電疇定向排列，從而使陶瓷具有壓電性能。

十二、老化測試：陶瓷性能穩定後檢測各項指標，看是否達到了預期的性能要求。

壓電陶瓷的製造特點是在直流電場下對鐵電陶瓷進行極化處理，使之具有壓電效應。一般極化電場為3～5kV/mm，溫度100～150°C，時間5～20min。這三者是影響極化效果的主要因素。性能較好的壓電陶瓷，如鋯鈦酸鉛系陶瓷，其機電偶合係數可高達0.313～0.694。

應用

主要用途

1、聲音轉換器聲音轉換器是最常見的應用之一。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就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，就是通過逆壓電效應把交流音頻電信號轉換為聲音信號。

2、壓電引爆器自從第一次世界大戰中英軍發明了坦克，並首次在法國索姆河的戰鬥中使用而重創了德軍後，坦克在多次戰鬥中大顯身手。然而到了20世紀六七十年代，由於反坦克武器的發明，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，就會馬上爆炸，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，就是利用壓電陶瓷製成的。只要用手指壓一下打火按鈕，打火機上的壓電陶瓷就能產生高電壓，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製成的打火機可使用100萬次以上。

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後，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就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，當危險光消失後，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、超聲波換能器適用於用於超聲波焊接設備以及超聲波清洗設備，主要採用大功率發射型壓電陶瓷製作，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，最難對付的是潛艇，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，因為電磁波在海水裡會急劇衰減，不能有效地傳遞信號，探測潛艇靠的是聲納------水下耳朵。壓電陶瓷就是製造聲納的材料，它發出超聲波，遇到潛艇便反射回來，被接收後經過處理，就可測出敵潛艇的方位、距離等。[3]

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