壓電陶瓷，一種能夠?qū)?a target="_blank">機械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。這是一種具有壓電效應(yīng)的材料。它在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。由壓電陶瓷構(gòu)成的超高精度、低能耗、控制簡便的驅(qū)動器 ,在精密工程中起到了非常重要的作用。

壓電效應(yīng)的原理可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)：

瓷片壓縮，極化強度變小，釋放部分吸附自由電荷，出現(xiàn)放電現(xiàn)象。外力撤除，瓷片回復(fù)原狀，極化強度變大，吸附一些自由電荷，出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?/span>現(xiàn)象，稱為正壓電效應(yīng)。

正壓電效應(yīng)示意圖

反之，在瓷片上施加與極化方向相同電場。極化強度增大，瓷片發(fā)生伸長或者縮短形變。這種由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)。

逆壓電效應(yīng)示意圖

而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產(chǎn)生高頻聲信號（機械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，這種相互對應(yīng)的關(guān)系確實非常有意思。正是因為這種固有的機-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來的飛行器設(shè)計中占有重要的地位。目前應(yīng)用最廣泛的壓電陶瓷材料是以鋯鈦酸鉛(PZT)為基，通過用B位離子M92+、Nb5+、Ta5+進行單獨或復(fù)合取代，形成ABO3結(jié)構(gòu)的復(fù)合鈣鈦礦型的固溶體類陶瓷材料。

國內(nèi)對壓電陶瓷材料的研究開始于五十年代末期，比國外晚了十年左右。經(jīng)過幾十年的努力，我國的壓電陶瓷有了很大發(fā)展。21世紀(jì)初葉，低溫壓電陶瓷的改進對于壓電陶瓷廣泛用于電子技術(shù)領(lǐng)域起了巨大的推動作用。然而，由于壓電陶瓷硬度高、脆性大、難于加工。因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壓電陶瓷體的制造一直是一大難題。清華大學(xué)材料系新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室GuoDongt利用凝膠注模成型(gelcasting)制備PZT壓電陶瓷，解決了壓電陶瓷制備中亟待解決的問題。同時低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷也抑制了燒結(jié)滲銀過程中銀離子向陶瓷內(nèi)部進行擴散。我們知道，陶瓷屬于絕緣介質(zhì)，只有經(jīng)過極化后的陶瓷才有壓電性。但是陶瓷不能象金屬那樣被直接極化，必須先被金屬化。

壓電陶瓷是絕緣體，必須在陶瓷元件工作部位的表面上涂覆一層具有高導(dǎo)電率、結(jié)合牢固的金屬作為電極(一般為銀電極)。電極的作用有兩方面：一是在強絕緣體表面附著的金屬電極承受高壓電場，以利于充分極化；二是在陶瓷元件表面聚集電荷和傳遞電荷。斯利通專注于各種新型陶瓷材料的金屬化領(lǐng)域，通過大量的研發(fā)和試驗，最終研究出一種新型薄膜生產(chǎn)工藝取代傳統(tǒng)披銀工藝，既節(jié)省了成本（用金屬銅層取代銀層），同時具備直接制作導(dǎo)通線路圖形的能力。壓電陶瓷在覆銅前需要保證表面光潔度，不能有油污類污染，需用特殊藥水對其表面進行清潔，不可采用常規(guī)堿性溶液處理表面臟污。鍍膜時瓷片需要平鋪在爐體底部，偏壓調(diào)試到合適值，以免產(chǎn)生擊裂。鈦層控制在200NM左右，銅層控制在300UM左右，鍍膜之后需要立即進行一次銅，將表面疏松的銅層保護起來，如需制作出條狀銅線路，需要進行線路轉(zhuǎn)移，制作出相應(yīng)的線路層后進行二次鍍銅。完成后使用藥水將表面干膜層去除掉，這里不可以使用堿性溶液，因為瓷片一般是單面敷銅，背面浸泡在堿性溶液過久會溶解或更加脆化，以致于粉碎。去除掉干膜后，表面使用純水清洗干凈，吸干水分烘干即可得到成品。

近年來，PZT壓電陶瓷在以下方面得到了廣泛的應(yīng)用：

高位移新型壓電致動器

01

自從發(fā)明壓電致動器特別是多層壓電致動器以來，其應(yīng)用日益擴大，特別是精密定位方面?，F(xiàn)在多層壓電致動器在國外已經(jīng)大量地應(yīng)用于汽車的燃料注入系統(tǒng)和懸置系統(tǒng)。

壓電變壓器壓電變壓器

02

從50年代就己開始研制，但是直到90年代才進入商品化，獲得成功的應(yīng)用。壓電陶瓷變壓器體積小，質(zhì)量輕，可以做成扁平形狀，它實際上沒有電磁噪聲，只產(chǎn)生有限的熱，而轉(zhuǎn)換效率高達95％，所以90年代隨著薄形電源以及高頻(大于2 MHz)開關(guān)電源對壓電變壓器迫切要求，對壓電變壓器的研制又重新活躍起來。現(xiàn)在己研制成多層壓電變壓器，最大功率已超過50 W，并且己大量地應(yīng)用在筆記本式計算機液晶顯示器的背光電源以及復(fù)印機和傳真機的高壓電源。

用于主動減震和降噪的壓電器件

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許多機械結(jié)構(gòu)往往會發(fā)生振動，由此又常常會引發(fā)噪聲，對運動結(jié)構(gòu)的減振降噪控制(如運行的機械、潛艇殼體、航空航天飛行器以及艙內(nèi))，具有重要的意義。特別是大型精密的航空航天的撓性結(jié)構(gòu)，一般質(zhì)量輕，阻尼小，一旦發(fā)生振動，其衰減過程十分緩慢；長期如此便會影響到結(jié)構(gòu)運行的精度，甚至?xí)l(fā)結(jié)構(gòu)疲勞、失穩(wěn)等現(xiàn)象，因此對撓性結(jié)構(gòu)的減振研究是十分必要的。傳統(tǒng)的被動減振降噪方法是通過增加質(zhì)量、阻尼、剛度、或者是通過結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計而改變系統(tǒng)的特性。壓電材料自身具有的正反壓電效應(yīng)，使其成為撓性結(jié)構(gòu)主動分布控制中檢測器與執(zhí)行器的理想材料。

醫(yī)用微型壓電陶瓷傳感器

04

美國密蘇里一羅拉大學(xué)陶瓷工程系的W．Huebner教授研制出一種微型電壓陶瓷傳感器，它比人的頭發(fā)還要細小，可以將它用來幫助醫(yī)生探測病人的心臟附近，如冠狀動脈，具有潛在致命危險的膽固醇的累積情況，使用時，將這種十分細小的傳感器插入動脈血管并通過微細光纜輸送到心臟部位，用來診斷有生命危險的膽固醇堵塞部位的位置和厚度，為在血管內(nèi)采用激光外科手術(shù)將其清除鋪平道路。

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陶熔鼓鑄

淘盡鉛華