摘要：壓電陶瓷作為重要的功能材料在電子材料領(lǐng)域占據(jù)相當(dāng)大的比重。近幾年來，壓電陶瓷在全球每年銷售量按15%左右的速度增長，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，2000年全球壓電陶瓷產(chǎn)品銷售額約達(dá)30億美元以上。 本文主要介紹壓電陶瓷的概念和應(yīng)用范疇、應(yīng)用實(shí)例、前景，帶領(lǐng)大家了解陶瓷家族中的一員----壓電陶瓷。

關(guān)鍵詞：陶瓷 壓電陶瓷 壓電效應(yīng) 應(yīng)用范疇 應(yīng)用實(shí)例

一、基本概念

壓電陶瓷是指把氧化物混合(氧化锫、氧化鉛、氧化鈦等)高溫?zé)Y(jié)、和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機(jī)非金屬材料。

壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱逆壓電效應(yīng)。這種奇妙的效應(yīng)已經(jīng)被科學(xué)家應(yīng)用在與人們生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動、頻率控制等功能。

二、壓電陶瓷的應(yīng)用范疇

利用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以制造出壓電點(diǎn)火器、移動X光電源、炮彈引爆裝置。用兩個直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一種可連續(xù)打火幾萬次的氣體電子打火機(jī)。用壓電陶瓷把電能轉(zhuǎn)換成超聲振動，可以用來探尋水下魚群的位置和形狀，對金屬進(jìn)行無損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療，還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵，對塑料甚至金屬進(jìn)行加工。

壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動，并將極其微弱的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電信號。利用壓電陶瓷的這一特性，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護(hù)、家用電器等方面。

1、在軍事上，在潛入深海的潛艇上，都裝有人稱水下偵察兵的聲納系統(tǒng)。它是水下導(dǎo)航、通訊、偵察敵艦、清掃敵布水雷的不可缺少的設(shè)備，也是開發(fā)海洋資源的有力工具，它可以探測魚群、勘查海底地形地貌等。在這種聲納系統(tǒng)中，有一雙明亮的"眼睛"--壓電陶瓷水聲換能器。當(dāng)水聲換能器發(fā)射出的聲信號碰到一個目標(biāo)后就會產(chǎn)生反射信號，這個反射信號被另一個接收型水聲換能器所接收，于是，就發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)。目前，壓電陶瓷是制作水聲換能器的最佳材料之一。

2、 在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)生將壓電陶瓷探頭放在人體的檢查部位，通電后發(fā)出超聲波，傳到人體碰到人體的組織后產(chǎn)生回波，然后把這回波接收下來，顯示在熒光屏上，醫(yī)生便能了解人體內(nèi)部狀況。

3、在工業(yè)上，地質(zhì)探測儀里有壓電陶瓷元件，用它可以判斷地層的地質(zhì)狀況，查明地下礦藏。還有電視機(jī)里的變壓器--電壓陶瓷變壓器，它體積變小、重量減輕，效率可達(dá)60%～80%，能耐住3萬伏的高壓，使電壓保持穩(wěn)定，完全消除了電視圖象模糊變形的缺陷。 在玩具小狗的肚子中安裝壓電陶瓷制作的蜂鳴器，玩具都會發(fā)出逼真有趣的聲音。在汽車上應(yīng)用：在汽車的制動器活塞里安裝一種簡單的壓電陶瓷致動器，向內(nèi)部制動杉塊的支撐板施加“抖動”頻率，有效抑制產(chǎn)生尖利噪音的振動，從而能在溫度濕度變化和剎車系統(tǒng)正常磨損的情況下發(fā)揮作用。壓電陶瓷也可用作汽車的壓電陶瓷爆震傳感器、超聲波傳感器、加速度傳感器等類別。壓電陶瓷在汽車燃油系統(tǒng)的噴油器上應(yīng)用目前處于最前沿的開發(fā)階段。

4、在航天領(lǐng)域，壓電陶瓷制作的壓電陀螺，是在太空中飛行的航天器、人造衛(wèi)星的"舵"。依靠"舵"，航天器和人造衛(wèi)星，才能保證其既定的方位和航線。小巧玲瓏的壓電陀螺靈敏度高，可靠性好。

三、壓電陶瓷的應(yīng)用實(shí)例

1.壓電陶瓷噴油器

壓電陶瓷噴油器柴油機(jī)系統(tǒng)是迄今為止柴油機(jī)電控噴油技術(shù)中，結(jié)構(gòu)最完善、性能最先進(jìn)、技術(shù)難度最大、最有發(fā)展前途的電控噴射系統(tǒng)。它具有以下特征:高壓的產(chǎn)生和噴油控制是分別獨(dú)立進(jìn)行的，噴油壓力可以根據(jù)發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況，在較寬范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié);它還能實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射、主噴射以及多次噴射等;可以自由地改變噴油參數(shù)和噴油形態(tài)可以高自由度地控制燃油噴射，大大提高柴油機(jī)的燃燒效率、降低排放水平、提高發(fā)動機(jī)的性能。

（1）、德國公司到目前為止共設(shè)計(jì)了3代高壓共軌系統(tǒng)。第一代于1977年7月批量投放市場，噴射壓力達(dá)135MPa，主要應(yīng)用于轎車。第二代2000年開始批量生產(chǎn)，最大系統(tǒng)壓力提高到160MPa，并開始使用具有油量調(diào)節(jié)功能的高壓油泵、經(jīng)改進(jìn)的電磁閥噴油器，噴射循環(huán)由預(yù)噴射、主噴射和多級噴射等多次噴射組成，采用降噪新技術(shù)。第三代產(chǎn)品于2003年5月推出，最高壓力可達(dá)160MPa。2005年末推出的第三代共軌系統(tǒng)的改進(jìn)型采用了壓電陶瓷執(zhí)行器，其運(yùn)動部件由原來的4個減少為1個，運(yùn)動質(zhì)量減少75%，開關(guān)時間比電磁閥少50%。該系統(tǒng)的噴射壓力為160MPa，噴油器響應(yīng)時間為0.lms，每次循環(huán)可實(shí)現(xiàn)5次噴射。目前正在開發(fā)的第四代共軌噴射系統(tǒng)，最高噴射壓力可達(dá)25OMpa，并允許噴油壓力逐步上升。

（2）、日本電裝公司:其典型代表是它的ECU一UZ系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高壓油泵、共軌、噴油器、和ECU各種傳感器組成。高壓油泵上有一個泵控制閥PCV，共軌壓力由高壓油泵的供油量來控制。安裝在共軌上的壓力傳感器對油壓進(jìn)行反饋控制，使之維持在由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷確定的目標(biāo)值。噴油量取決于施加在三通閥上的噴油脈寬，噴油正時取決于噴油脈沖施加于三通閥的時刻。ECU一UZ系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對噴油量、噴油正時、噴油

速率和噴射壓力這燃油噴射四大要素的獨(dú)立控制。它可實(shí)現(xiàn)三種噴油率:三角形型噴射，靴型噴射和預(yù)噴射[8]。日本電裝公司目前的壓電式共軌系統(tǒng)的噴射壓力為180MPa，并預(yù)計(jì)在2010年提高到200MPa。

（3）、美國德爾福公司的MuiteeDCR系統(tǒng):該系統(tǒng)的主要部件有共用高壓油軌、高壓燃油調(diào)壓器、高壓燃油泵、燃油噴油器、電控單元、燃油濾清器和傳感器等。它的噴射壓力與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷無關(guān)，即使在低速運(yùn)行時，系統(tǒng)仍可保持足夠壓力的高壓燃油噴射?？蓪?shí)現(xiàn)多次噴射，能滿足歐m排放法規(guī)要求。MuiteeDCR主要采用了帶有平衡控制和反饋控制策略的電控電磁閥結(jié)構(gòu)的燃油噴油器11刀，它能提供極快的動作響應(yīng)并精確地進(jìn)行燃油流量的計(jì)量。這種響應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)緊湊、小巧玲瓏的電磁閥控制的噴油器只需常規(guī)12V汽車蓄電池驅(qū)動就能正常工作，比世界上現(xiàn)生產(chǎn)的任何一種柴油機(jī)共軌噴射系統(tǒng)都節(jié)能，大大降低汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)生產(chǎn)成本和復(fù)雜程度。整個系統(tǒng)采用積木式設(shè)計(jì)，便于應(yīng)用于不同形式和不同種類的發(fā)動機(jī)[9]。在2007年上海發(fā)動機(jī)及制造技術(shù)展上，德爾福展出了它最新的共軌系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用電磁閥執(zhí)行器，但其響應(yīng)速度可以和壓電式噴油器相媲美。在第29屆維也納汽車討論會上舉辦的講座中，德爾福展示了設(shè)計(jì)中的直動式共軌系統(tǒng)，它采用壓電執(zhí)行器直接驅(qū)動噴油器針閥，為柴油機(jī)燃油噴射技術(shù)帶來了一種創(chuàng)新勝的概念[10]。

（4）、西門子VDO:最早將壓電技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)燃油噴射領(lǐng)域，推出了兩代壓電陶瓷式共軌系統(tǒng)。PCR2系統(tǒng)的噴油壓力達(dá)到165MPa，可進(jìn)行5次噴射，最小噴油量為l mm。2006年，西門子批量投產(chǎn)了第三代壓電共軌噴射系統(tǒng)PCR3其噴射壓力達(dá)到180MPa，采用的鉛筆型噴油器可以進(jìn)行多次噴射，它無須顆粒過濾器就能達(dá)到歐V排放標(biāo)準(zhǔn)[12]。

（5）、我國將壓電陶瓷用于柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)方面的研究起步較晚，目前在進(jìn)行相關(guān)研究的單位主要有:一汽無錫油泵油嘴研究所、清華大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等少數(shù)單位。一起無錫油泵油嘴研究所的FCRS系統(tǒng)已經(jīng)小批量試用，目前正在進(jìn)行批量生產(chǎn)方面的研究。另外，該單位在第一代FCRS的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了壓電式噴油器的研究。天津大學(xué)的共軌蓄壓式柴油機(jī)電控單體噴油器R釘RCUI，它基于蓄壓式噴油器的工作原理，可實(shí)現(xiàn)對噴油規(guī)律的控制。

2、壓電陶瓷點(diǎn)火器

這是一種將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電火花而點(diǎn)燃燃燒物的裝置，是機(jī)電換能器。1958年開創(chuàng)利用鈦酸鋇（

BaTiO ）陶瓷的壓電效應(yīng)進(jìn)行點(diǎn)火，但這種材料著火率不高，噪音大，1962年開始試用鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷制作點(diǎn)火器，這種點(diǎn)火器廣泛應(yīng)用日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及軍事方面，用以點(diǎn)燃?xì)怏w和各類炸藥和火箭的引燃引爆。

3、壓電變壓器

從五十年代就開始研制壓電變壓器。當(dāng)時以鈦酸鋇為主要材料。升壓比較低（只有50—60倍）。輸出電壓3000伏左右。隨著鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料的出現(xiàn)，升壓比提高到300——500倍,逐步推廣應(yīng)用于電視機(jī) 、靜電復(fù)印機(jī)、負(fù)離子發(fā)生器中做為高壓電源。

（1）基本原理：輸入壓電瓷片的電振動能量通過逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動能，再通過正壓電效應(yīng)又換成電能。在這兩次能量轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)阻抗變換（由低阻抗變成高阻抗），從而在陶瓷片的諧振頻率上獲得高的電壓輸出?，F(xiàn)以伸縮振動的橫縱向型變壓器為例說明變壓原理。

(2) 壓電變壓器的應(yīng)用壓電變壓器主要用于高壓、低功率和正弦波變換的情況，具有輸出電壓高，重量輕，體積小，無泄漏磁場、不燃燒等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。為了獲得多個電壓輸

出，根據(jù)橫—縱變壓器的輸出電壓與長度成正比，越靠近發(fā)電部分端頭，電壓越高，我們可在發(fā)電部分的不同位置制作電極作為抽頭，從而獲得不同的電壓輸出。

4、壓電陶瓷拾音器和揚(yáng)聲器

壓電陶瓷在電聲設(shè)備上有廣泛應(yīng)用，例如壓電陶瓷拾音器、揚(yáng)聲器。送受話器等都是利用壓電陶瓷的換能性質(zhì)（機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑蚍催^來）來研制的。

電聲設(shè)備要求機(jī)械阻抗低，能與音源或振動源相正配，雙膜片型壓電振子能符合這些要求。它是由兩片長度伸縮的壓電陶瓷片粘合而成，當(dāng)一片伸長時，另一片縮短，整體做彎曲運(yùn)動。

5、壓電陶瓷風(fēng)扇和繼電器

利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)可制成小型的壓電陶瓷風(fēng)扇，具有體積小，不會發(fā)熱，無嘈聲、低功耗、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。下方左圖是一個壓電陶瓷彎曲變形器，它由兩片壓電陶瓷片夾一金屬薄片構(gòu)成，陶瓷片在外電場作用下產(chǎn)生伸縮運(yùn)動。若兩片陶瓷片加反向電壓，則一邊收縮另一邊伸長，使金屬片彎曲變形，若外加交變電壓，金屬片將作周期性振動 。

壓電陶瓷風(fēng)扇是由兩個彎曲變形器組成，如右圖，接通交流電源后，兩葉片就按箭頭方向做往復(fù)振動、產(chǎn)生的風(fēng)量可達(dá)0.42立方米/分鐘。利用彎曲器還可制成繼電器。

6、壓電振動加速計(jì)

壓電陶瓷在計(jì)測儀器上有廣泛的應(yīng)用，這里介紹壓電加速度計(jì)。

下 圖是壓電陶瓷加速度計(jì)的示意圖。當(dāng)被測物體加速度運(yùn)動時，放在上面的質(zhì)量為m 的質(zhì)量塊夾在中間的壓電陶瓷片產(chǎn)生壓力F，由于壓電效應(yīng)，在陶瓷片的上下電極有電壓輸出，此電壓與應(yīng)力成正比，而應(yīng)力又與加速度（也即被測物體的加速度）成正比，因而可以測得的輸出電壓求得運(yùn)動物體的加速度。

四、前景

壓電陶瓷是含高智能的新型功能電子材料,隨著材料及工藝的不斷研究和改良,壓電陶瓷的技術(shù)應(yīng)用愈來愈廣。 壓電材料作為機(jī)、電、聲、光、熱敏感材料，在傳感器、換能器、無損檢測和通訊技術(shù)等領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用，世界各國都固相反應(yīng)后而成的多晶體．并通過直流高壓極化處理使其具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷的統(tǒng)稱，是一種能將機(jī)械能高度重視壓電陶瓷材料的研究和開發(fā)。

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，壓電陶瓷的應(yīng)用必將越來越廣闊。除了用于高科技領(lǐng)域，它更多的是在日常生活中為人們眼務(wù)，為人們創(chuàng)造更美好的生活。

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