標籤:壓電陶瓷控制器

壓電陶瓷,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。這是一種具有壓電效應的材料。

1基本概念

壓電陶瓷點火器

  壓電陶瓷點火器

所謂壓電效應是指某些介質在力的作用下,產生形變,引起介質表面帶電,這是正壓電效應。反之,施加激勵電場,介質將產生機械變形,稱逆壓電效應。這種奇妙的效應已經被科學家應用在與人們生活密切相關的許多領域,以實現能量轉換、感測、驅動、頻率控制等功能。
在能量轉換方面,利用壓電陶瓷將機械能轉換成電能的特性,可以製造出壓電點火器、移動X光電源、炮彈引爆裝置。電子打火機中就有壓電陶瓷製作的火石,打火次數可在100萬次以上。用壓電陶瓷把電能轉換成超聲振動,可以用來探尋水下魚群的位置和形狀,對金屬進行無損探傷,以及超聲清洗、超聲醫療,還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵,對塑料甚至金屬進行加工。

2發現

某些材料在機械應力作用下,引起內部正負電荷中心相對位移而發生極化,導致材料兩端表面出現符號相反的束縛電荷的現象,稱為壓電效應。具有這種性能的陶瓷稱為壓電陶瓷,它的表面電荷的密度與所受的機械應力成正比。反之,當這類材料在外電場作用下,其內部正負電荷中心移位,又可導致材料發生機械變形,形變的大小與電場強度成正比。
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,除去電場后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。
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。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(Bax·Sr1-x·Nb2O5)等,它們不含有毒的鉛,對環境保護有利。

3製造特點

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。
壓電陶瓷主要用於製造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等。

4陶瓷特性

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。地震是毀滅性的災害,而且震源始於地殼深處,以前很難預測,使人類陷入了無計可施的尷尬境地。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至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。
壓電陶瓷在電場作用下產生的形變數很小,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著被替代的命運。

5主要原理

我們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。一個感測器以每秒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,稱量感測 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。 目前,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。

6工藝

壓電陶瓷一般工藝
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,目前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:陶瓷性能穩定后檢測各項指標,看是否達到了預期的性能要求。

7市場用途

壓電陶瓷片

  壓電陶瓷片

壓電陶瓷的用途非常廣泛。下面我們來舉其中幾例:
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后,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 現在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后,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1/1000 s里,能把光強度減弱到只有1/10000,當危險光消失后,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,被接收后經過處理,就可測出敵潛艇的方位、距離等。

8應用

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,壓電陶瓷的技術應用愈來愈廣。 壓電材料作為機、電、聲、光、熱敏感材料,在感測器、換能器、無損檢測和通訊技術等領域已獲得了廣泛的應用,世界各國都固相反應后而成的多晶體.並通過直流高壓極化處理使其具有壓電效應的鐵電陶瓷的統稱,是一種能將機械能高度重視壓電陶瓷材料的研究和開發。 隨著高新技術的發展,壓電陶瓷的應用必將越來越廣闊。除了用於高科技領域,它更多的是在日常生活中為人們服務,為人們創造更美好的生活。
壓電陶瓷在我們日常生活中的5個常見的運用:
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
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