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    压电陶瓷:机械能与电能相互转换的“法器”
    2020年04月17日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:157
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    古时候,人们常常通过塑造神话形象来解释一些无法理解的自然现象 。例如,雷公是司掌雷鸣之神,法器是锲锤,可以击打出隆隆的雷声;电母是司掌闪电之神,法器是两面神镜,可以发射出耀眼的电光 。近现代,我们通过科学认识到雷声和电光同生于放电现象,雷声源于空气击穿引起的冲击波,属于“机械能”;而电光源于正负电荷冲撞产生的电火花,属于“电能” 。由此来看,雷公的法器可以产生机械能,电母的法器可以释放电能 。

    那么,是否存在机械能与电能相互转换“法器”呢?当然存在,这种“法器”被科学界称作“压电陶瓷” 。压电陶瓷可以将机械能转化成电能(正压电效应),如压电陶瓷打火机;还可以将电能转化成机械能(逆压电效应),如口罩机上使用的超声波换能器压电陶瓷环 。

     

    超声波焊接用压电陶瓷环

    1  压电陶瓷的结构属性

    法器的神奇之处往往在于其拥有独特的结构 。作为机械能与电能相互转换的法器,压电陶瓷具备神奇的结构属性:自发极化 。普通的介质陶瓷,只有在外电场作用下才能极化 。而压电陶瓷无需借助外电场,仅仅依靠本身的铁电体结构,就能自发极化 。不过,压电陶瓷的自发极化与温度有关:在居里温度Tc以上,晶体处于顺电态,不能自发极化;在居里温度Tc以下,晶体处于铁电态,能够自发极化 。

    压电陶瓷基本都是铁电体:当温度低于居里温度Tc时,晶体中晶胞的离子发生位移,造成正负电荷中心不重合,进而产生固有电偶极矩;相邻晶胞产生同样的连锁反应,扩展成为铁电体的基本单元——电畴 。注意,产生自发极化的条件是:离子位移后固定在新位置上的力 大于位移后的恢复力  。

    压电陶瓷材料分类

    结构

    实例

    优点

    缺点

    钙钛矿

    BaTiO3

    压电系数、介电常数高

    Tc=120℃,较低

    PbTiO3

    Tc=490℃,热稳定性好

    难极化,工艺加工困难

    PZT,即Pb(Zr、Ti)O3

    Tc>300℃,压电系数高且稳定,可掺杂改性

    含铅材料

    钨青铜

    PbNb2O6

    Tc=570℃

    机械品质因 数低

    铌酸锂

    LiNbO3

    Tc=1210℃,介电常数低、压电常数高

    碱金属易挥发,陶瓷致密度低

    铋层状

    Bi4Ti3O12

    Tc=375℃,介电常数低,适用于高频场合

    压电系数低

     

    2  压电陶瓷的“激活”方式

    《西游记》中,孙悟空头上戴的紧箍是一件很有灵性的法器,只要唐僧的咒语一起,紧箍便被“激活”,而孙猴子就得受罪了 。事实上,压电陶瓷的灵性也需要被“激活”,只是并非咒语,而是强直流电场 。

    压电陶瓷虽然具备自发极化的独特结构,但作为多晶体,内部电畴的排列方向杂乱无章,极化效应相互抵消,导致宏观不呈现压电效应 。极化是压电陶瓷的“激活”方式 。所谓极化,就是在压电陶瓷上施加一个强直流电场,使陶瓷内的电畴沿电场方向取向排列;在电场去除后,陶瓷内仍能保留相当的剩余极化强度,也就具备了压电性能 。

     

    压电陶瓷的“极化”

    极化状态可以用电滞回线来描述:压电陶瓷的极化强度随电场强度的增大而增大,在C点达到饱和;若逐渐减小电场强度,极化强度将沿另一条曲线减小,当电场强度降为0时,极化强度保留在Pr点,即剩余极化强度 。

     

    电滞回线

    3  压电陶瓷的应用

    压电陶瓷的应用大致可以划分为两大类:压电换能器与压电振子 。具体见下表 。

    压电陶瓷的应用

    应用

    分类

    举例

    压电换能器

    超声换能器

    超声探伤、清洗等

    水声换能器

    声呐、探测器等

    电声器件

    扬声器、送话器等

    传感器

    压力 计、流量计等

    引燃、高压发生器

    点火器等

    压电振子

    微波器件

    滤波器等

    电力 电子器件

    压电变压器、振荡器等

     

     

    超声探伤仪

     

    压电振荡器

    粉体圈 作者 王京

     


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