有關(guān)功能材料及其發(fā)展的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1、有關(guān)壓電陶瓷的幾點(diǎn) 認(rèn)識(shí)基本概念所謂壓電效應(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(lì)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(dòng)、頻率控制等功 能。在能量轉(zhuǎn)換方面，利用壓電陶瓷將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以制造出壓電點(diǎn)火器、 移動(dòng)X光電源、炮彈引爆裝置。電子打火機(jī)中就有壓電陶瓷制作的火石，打火次數(shù)可在100萬次以上。用壓電陶瓷把電能轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)，可以用來探尋水下魚群的位置和形狀，對(duì)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

2、鐵， 對(duì)塑料甚至金屬進(jìn)行加工。發(fā)現(xiàn)某些材料在機(jī)械應(yīng)力作用下，引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移而發(fā)生極化，導(dǎo)致材料兩 端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷的現(xiàn)象， 稱為壓電效應(yīng)。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(jī)械應(yīng)力成正比。反之，當(dāng)這類材料在外電場作用下，其內(nèi)部 正負(fù)電荷中心移位，又可導(dǎo)致材料發(fā)生機(jī)械變形，形變的大小與電場強(qiáng)度成正比。1946年美國麻省理工學(xué)院絕緣研究室發(fā)現(xiàn)，在鈦酸鋇鐵電陶瓷上施加直流高壓電場，使 其自發(fā)極化沿電場方向擇優(yōu)取向，除去電場后仍能保持一定的剩余極化，使它具有壓電效應(yīng)， 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

3、 ABO3(A表示二價(jià) 金屬離子，B表示四價(jià)金屬離子或幾種離子總和為正四價(jià))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(tǒng)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(Na0.5K0.5Nb03)和偏鈮酸鍶鋇(Bax Sr1 -xNb2O5)等，它們不含有毒的鉛，對(duì)環(huán)境保護(hù) 有利。制造特點(diǎn)壓電陶瓷的制造特點(diǎn)是在直流電場下對(duì)鐵電陶瓷進(jìn)行極化處理，使之具有壓電效應(yīng)。一 般極化電場為35kV/mm，溫度100150C，時(shí)間520min。這三者是影響極化效果的主要 因素。性能

4、較好的壓電陶瓷，如鋯鈦酸鉛系陶瓷，其機(jī)電偶合系數(shù)可高達(dá)0.3130.694。壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、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(fā)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。陶瓷特性壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可用于聲納系統(tǒng)、 氣象探測、遙測環(huán)境保護(hù)、家用電器等。地震是毀滅性的災(zāi)害，而且震源始于地殼深處，以 前很難預(yù)測，使人類陷入了無計(jì)可施的尷尬境地。壓電陶瓷對(duì)外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)功能材料及其發(fā)展論文 到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動(dòng)，用它來制作壓電地震儀，能精確地測出地震強(qiáng)度，

5、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(chǎn)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，基于這個(gè)原理制做的精確控制機(jī)構(gòu)一一壓電驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于精密儀器和機(jī)械的 控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)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(shè)備性能的關(guān)鍵器件，壓電陶瓷在這方面 具有明顯的優(yōu)越性。它頻率穩(wěn)定性好，精度高及適用頻率范圍寬，而且體積小、不吸潮、壽 命長，特別是在多路通信設(shè)備中能提高抗干擾性，使以往的電磁設(shè)備無法望其項(xiàng)背而面臨著 被替代的命運(yùn)。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(dá)到平穩(wěn)的效果，而這種A

6、CX減震控制器，通過使用壓電材料，首次提供了連續(xù)可變的減震功能。一個(gè)傳感器以每秒50次的速率監(jiān)測沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)，如果活塞快速動(dòng)作，一般是由于行駛在不平地面而造成的快速 沖擊，這時(shí)需要啟動(dòng)最大的減震功能；如果活塞運(yùn)動(dòng)較慢，則表示路面平坦，只需動(dòng)用較弱 的減震功能。綜上所訴：壓電陶瓷就是矢量轉(zhuǎn)換材料力- 電 電- 力1次力電轉(zhuǎn)化，典型應(yīng)用：壓電點(diǎn)火，稱量傳感 1次電力轉(zhuǎn)換：制動(dòng)器,執(zhí)行器 電- 力- 形變- 振動(dòng) -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。它用于高科技，但更多地是在生活中為人們服 務(wù)，創(chuàng)造美好的生活。目前，壓

7、電陶瓷的主要原料還包括鉛等有毒物質(zhì)。下一階段，無鉛壓電陶瓷和低溫壓電陶瓷將是發(fā)展的方向。壓電陶瓷工藝壓電陶瓷一般工藝工藝流程圖如下：配料一混合磨細(xì)-預(yù)燒-二次磨細(xì)-造粒-成型-排塑-燒結(jié) 成瓷-外形加工-被電極-高壓極化-老化測試。一、配料：進(jìn)行料前處理，除雜去潮，然后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(xì)：目的是將各種原料混勻磨細(xì)，為預(yù)燒進(jìn)行完全的固相反應(yīng)準(zhǔn)備條件.一般采 取干磨或濕磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取攪拌球磨或氣流粉碎的方法，效率 較高。三、 預(yù) 燒：目的是在高溫下，各原料進(jìn)行固相反應(yīng)，合成壓電陶瓷.此道工序很重要。會(huì) 直接影響燒結(jié)條

8、件及最終產(chǎn)品的性能。四、二次細(xì)磨：目的是將預(yù)燒過的壓電陶瓷粉末再細(xì)振混勻磨細(xì)，為成瓷均勻性能一致打 好基礎(chǔ)。五、造粒：目的是使粉料形成高密度的流動(dòng)性好的顆粒。方法可以手工進(jìn)行但效率較低， 目前高效的方法是采用噴霧造粒。此過程要加入粘合劑。六、成型：目的是將制好粒的料壓結(jié)成所要求的預(yù)制尺寸的毛坯。七、排塑：目的是將制粒時(shí)加入的粘合劑從毛坯中除掉。八、燒結(jié)成瓷：將毛坯在高溫下密封燒結(jié)成瓷。此環(huán)節(jié)相當(dāng)重要。九、外形加工：將燒好的制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(shè)置上導(dǎo)電電極。一般方法有銀層燒滲、化學(xué)沉積和真 空鍍膜。十一、高壓極化：使陶瓷內(nèi)部電疇定向排列，從而使陶瓷具有壓電

9、性能。十二、老化測試：陶瓷性能穩(wěn)定后檢測各項(xiàng)指標(biāo)，看是否達(dá)到了預(yù)期的性能要求。市場用途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(zhuǎn)換器 聲音轉(zhuǎn)換器是最常見的應(yīng)用之一。像拾音器、傳聲器、耳機(jī)、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(zhuǎn)換器。如兒童玩具 上的蜂鳴器就是電流通過壓電陶瓷的壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動(dòng)，而發(fā)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(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)，從而發(fā)出各種不同的聲音。例如電子 音樂賀卡，就是通過壓電效應(yīng)把機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為交流電信號(hào)。2、壓電引爆器 自從第一次世界大戰(zhàn)中英軍發(fā)明了坦克，并首次在法國索姆河的戰(zhàn)斗中使用而重創(chuàng)

10、了德軍后，坦克在多次戰(zhàn)斗中大顯身手。然而到了20世紀(jì)六七十年代，由于反坦克武器的發(fā)明，坦克失去了昔日的輝煌。反坦克炮發(fā)射出的穿甲彈接觸坦克， 就會(huì)馬上爆炸， 把坦克炸得粉碎。這是因?yàn)閺楊^上裝有壓電陶瓷，它能把相碰時(shí)的強(qiáng)大機(jī)械力轉(zhuǎn)變?yōu)樗查g高 電壓，爆發(fā)火花而引爆炸藥。3、壓電打火機(jī) 現(xiàn)在煤氣灶上用的一種新式電子打火機(jī)，就是利用壓電陶瓷制成的。只 要用手指壓一下打火按鈕，打火機(jī)上的壓電陶瓷就能產(chǎn)生高電壓，形成電火花而點(diǎn)燃煤氣， 可以長久使用。所以壓電打火機(jī)不僅使用方便，安全可靠，而且壽命長，例如一種鈦鉛酸鉛 壓電陶瓷制成的打火機(jī)可使用100萬次以上。4、防核護(hù)目鏡 核試驗(yàn)員帶上用透明壓電陶瓷做成的護(hù)目鏡后，當(dāng)核爆炸產(chǎn)生的光輻射達(dá)到危險(xiǎn)程度時(shí)，護(hù)目鏡里的壓電陶瓷就把它轉(zhuǎn)變成瞬時(shí)高壓電，在1/1000 s里，能把光強(qiáng)度減弱到只有1/10000，當(dāng)危險(xiǎn)光消失后，又能恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這種護(hù)目鏡結(jié)構(gòu)簡單， 只有幾十克重，安裝在防核護(hù)目頭盔上攜帶十分方便。5、超聲波換能器適用于用于超聲波焊接設(shè)備以及超聲波清洗設(shè)備，主要采用大功率發(fā) 射型壓電陶瓷制作，超聲波換能器是一種能把高頻電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，超聲波換能器 作為能量轉(zhuǎn)換器件，它的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)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1在海戰(zhàn)中，最難對(duì)付的是潛艇，它能長期在海下