姓名：李宗良

学号：200804024

专业:材料科学与工程

题目：压电陶瓷在新领域中的应用

指导老师：迟培云

日期：2011年11月15日

压电陶瓷在新领域中的应用

摘要：压电器件及其应用的发展．取决于压电材料种类的更新和性能的提高．随着新工艺和新材料的出现压电器件的应用也日新月异。文章介绍了压电材料近来的一些新应用及新工艺。

关键词 压电效应;压电陶瓷;压电材料 新应用;溶胶-凝胶法；

1 引言

自从1880年居里兄弟发现电气石的压电效应以后，便开始了压电学的历史。石英和BaTiO3，陶瓷在压电史上都起过重要的作用，但是在人类发现PZT压电陶瓷之后，大大加快了应用压电陶瓷的速度，使压电的应用出现了崭新的局面。

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料 ,它具有压电效应。所谓压电效应是指由应力诱导出极化 (或电场 ) ,或由电场诱导出应力 (或应变 )的现象 ,前者为正压电效应 ,后者为负压电效应 ,两者统称为压电效应。目前为止 ,压电陶瓷的这种压电效应已被应用到与人们生活密切相关的许多领域 ,遍及工业、军事、医疗卫生、日常生活等。可见压电陶瓷应用的研究意义非常重大。随着新工艺和新材料的出现 ,压电陶瓷应用日新月异 ,本文描述了一些压电陶瓷新应用成果。压电陶瓷的广泛应用压电陶瓷的应用十分广泛。大体说来 ,可分为频率控制、换能传感和光电器件等方面。压电陶瓷频率控制器件压电频率控制器件有滤波器、谐振器和延迟线等 ,这类器件使用于道倍机、微机、彩电延迟电路等中。压电陶瓷片 (压电振子 )在外加交变电压作用下 ,会产生一定频率的机械振动。在一般情况下这种振动的振幅很小 ,但是当所加电压的频率与压电振子的固有机械振动频率相同时会引起共振 ,振幅大大增加。这时 ,交变电场通过逆压电效应产生应变 ,而应变又通过正压电效应产生电流。

压电器件不仅在工业和民用产品上用途十分广泛，在军事上也同样获得大量应用。例如，将压电陶瓷用在引燃引爆方面已经很长时间了【1】。我国在1969年即将压电材料用到压电引信上，装备在新40火箭弹中，并且开始了大规模的生产，最高年产量超过300万件，前后103年累计产量超过2 000万件，品种近103种，主要是应用在破甲弹上【1】。另外一些重要领域，如雷达、军用通讯机和导航设备等方面都需要大量的压电陶瓷滤波器和压电SAW 滤波器。正如美国技术和市场评价公司近来在塔马报告中所指出的，压电滤波器是一种人们不大注意 但却又是十分重要的基础元件，没有它们．现代通讯、航行和防御设备就都不起作用。这种必不可少的作用．使压电滤波器形成了巨大的市场，其应用还在继续扩大。以我所为例．多年来研制和生产了许多品种和规格不同的压电陶瓷滤波器、压电SAW 滤波器、SAW 延迟线和振稿器；研制和生产了各种型号的压电加速度计、压电陀螺、压电倾斜仪等，都已广泛地用于军事和民用领域。

2 新器件及新应用

2．1 高位移的新型压电致动器自从发明压电致动器特别是多层压电致动器以来，其应用日益扩大，特别是在精密定位方面。现在多层压电致动器国外已经大量地应用在汽车的燃料注入系统和悬置系统【2】。

众所周知，使压电陶瓷或电致伸缩陶瓷产生位移的技术有弯血张力复合结构、单晶片和双晶片结构。然而，这几种技术中的每一种，在大小、质量、最大位移量及负载承受能力上都有其相应的。最近美国南卡罗莱纳州克莱木森大学的G．H．Haerthing研制出一种新型的单片陶瓷致动器，可以获得非常高的轴向位移(1000μm)，并能承受适度的压力‘约0.6MPa)【3】。这种称为“虹”(由还原层和内部偏移氧化层组成)的陶瓷致动器的独特结构，使其具有比其他结构范围都宽的应力一应变特性。通过气氛烧结和热压陶瓷都能制成“虹”结构，特别是采用PLZT压电和电致伸缩陶瓷．例如2／53／47(La／Zr／Ti)．5．5／56／44，8 6／65／35以及8／70／30。不久前．美国宾州大学国际致动器和换能器中心的Aydin Dogan等人研制出了弹珠式和钹形致动器【4】．钹形致动器由夹在二个截锥形金属帽盖之间的园柱形压电陶瓷元件组成，它显示出的位移量是同样尺寸的陶瓷元件的40倍，其有效压电电荷系数约是PZT 自身的40倍.

这些新型的陶瓷致动器的典型用途包括线性致动器、往复运行和空腔泵、开关、扬声器、压力计、振动器、喷水器和接受器、光偏转器、继电器、减噪和减振器件以及智能系统。特别是弹珠式和钹形致动器在汽车工业上有很大应用潜力，它们可用作传感器和减振器元件，阀门的开关元件。弹珠式致动器用作要求尺寸小、响应快的场合。Omron公司已成功地将其用于光扫描器。高密度记忆贮存驱动器．如CDROM驱动器和磁一光记忆贮存驱动器，是弹珠式致动器的另一种可能用途，是将其用于传送时的精确定位。弹珠式和钹形致动器还可以用于水听器、加速计和空气声学换能器。表1为不同类型的陶瓷致动器特征.

压电和电致伸缩陶瓷致动器可分为刚性位移器件和谐振位移器件。谐振位移器件是在机械谐振频率下，由ac电场激发产生交替应变，例如压电超声马达。为了取代普通的电磁马达。科研工作者已作了许多努力来开发高功率的超声马达 超声马达的特点是“低速大转矩”，这与电磁马达的高速小转矩正好形成对比。目前正在开发的超声马达有驻波型和传输波型

驻波型又称为振动耦合器型。其振动件与压电驱动器相连接，由端部产生水平椭圆运动。总的来说，驻波型具有很高的效率，但是存在缺乏正反时钟方向控制问题。现在又研制出一种将多层压电致动和音叉形金属腿装配在一起的线性超声马达，如图1所示。由于二条腿之间的机械谐振频率有微小差别，因此通过改变驱动频率，即能控制二条腿弯曲振动之间的相位差。其滑动移动的方式与马利用前后腿跑动相似。当用98 kHz的6 V电压驱动时，尺寸为20mm×20mm×5mm的试验马达的最大速度达20m／s，最大牵引力为2N，最大效率为20%(致动功率为0.7W)。这种马达已用在精密的x—Y平台上。

传输波型（表面波型）是将2种驻波与时间和空问上的2种90°相位差相结合，具有正反2种旋转方向都是可控的优点(见图2)。借助于压电环产生的传输弹性渡，通过改变正弦和余弦电压输入，从2个方向驱动与粘贴在压电体上的弹性体波动表面接触的环形滑动件。另一个优点是结构很薄，这使其适台安装在相机内用作自动聚焦器件。佳能的“EOS”相机系列80 的调换镜头都已采用超声马达机构【5】。

2．2 压电变压器

压电变压器从50年代就已开始研制，但是直到90年代才进入商品化。压电变压器获得成功的应用,一方面在于材料的进步，采用晶粒为亚微米级的精细PZT陶瓷材料，其机械强度极好，大功率的超声信号发射设备都是采用这种材料；另一是在控制电路方面。采用了一种V-F，变换法，通过对输出电流的反馈，将其维持在稳定条件下，对压电变压器的驱动频率进行有效地控制 另外，针对压电陶瓷变压器存在的主要弱点(输出阻抗高、输出电流小以及输出电压负载变化大等)，找到了适用的场合，如用在液晶显示器背光照明用的冷极管上【6】.

2.3压电陶瓷是我们常见的“免费能源“比如”，你身上的打火机。你家煤气炉子的打火器。还有压电陶瓷扬声器。但是有没有人想过：用她来建一座发电厂呢？以色人就想到这点。并且‘建成’--以汽车驶过。路基受压。的压电陶瓷公路。这种压力是不必付款的免费能源。只要初期投资。以后将不必要任何"能源"的再投入。而且永远免费。

路面下埋藏着‘压电陶瓷的高速公路

立交桥更是非常棒的发电厂

2.4 用于主动减振和降噪的压电器件

许多机械结构往往会发生振动，由此又常常会引发噪声，对运动结构的减振降噪控制(如运行的机械、潜艇壳体、航空航天的行器以及舱内)，具有重要的意义。特别是大型精密的航空航天的挠性结构，一般质量轻、阻尼小，一旦发生振动，其衰减过程虽十分缓慢，长期如此便会影响到结构运行的精度，甚至会引发结构疲劳、失稳等现象，因此对挠性结构的减振研究是十分必要的。传统的被动减振降噪方法是通过增加质量、阻尼、剐度，或者是通过结构的重新设计而改变系统的特性。这样做有不少缺陷。

压电材料自身具有的正反压电效应，使其成为挠性结构主动分布控制中检测器与执行器的理想材料 用于这方面较为重要的压电材料有PZT和PVDF。PVDF与前者比较具有频响宽、易与声阻抗

匹配、机械强度高、柔韧性好、质量轻并且耐冲击，容易制成大面积膜，价格低廉等优点。图3是压电分布控制降噪和减振的示意图。一个带有压电检测器和执行器的粱。底部的压电层(作检测用)感应粱的位移，产生相应的电压，将这一电压按照一定的控制规律乘以放大系数并反馈到上部的压电执行器，压电执行器受到电压的作用而产生机械振动。如果反馈电压转换了180℃的相位，这种振动就会抵消粱的振动，从而达到减振降噪的目的。上述这种分布检测器和执行器装置由于具有自我监测与自我调节能力而被称为智能结构。现在已经应用在潜艇外壳、飞机舱以及发射航天器舱的减振降噪。

图3 压电分布控制降噪和碱振示意图

一个典型的例于是美国喷气发动机实验室提出的一种空间桁架结构。它是将叠式PMN致动器安装在每一个桁架节点处并且起主动作用．这样便能立即抑制有害的振动 另一种应用是在“哈勃”式望远镜上，利用多层PMN电致伸缩致动器来控制光学信息处理范围内入射光波的相位。PMN电致伸缩致动器能将望远镜图像进行优化调整【5】。

2.5医用微型压电陶瓷传感器【9】

压电超声换能器用于医疗设备已很久了，并且获得了大量应用。最近．美国密苏里一罗拉大学陶瓷工程系的W、Huebner教授研制出一种微型压电陶瓷传感器，它比人的头发还要细小。可以将它用来帮助医生探测病人的心脏附近．如冠状动脉，具有潜在致命危险的胆固醇的累积情况。使用时，将这种十分细小的传感器插入动脉血管并通过微细光缆输送到心脏部位．利用高频超声和这样的传感器来诊断有生命危险的胆固醇堵塞部位的位置和厚度，为在血管内采用激光外科手术将其清除铺平道路。

4 结束语

100多年前，居里兄弟发现了压电效应，开创了压电学的历史。但是压电陶瓷真正获得广泛应用还是在Pb(Zr，Ti)O3压电陶瓷出现以后。随着新工艺和新材料的出现，压电陶瓷的应用日新月异。精细陶瓷及其粉作工艺的发展，为压电陶瓷的应用开辟了更加广阔的前景。

[参考文献]

【1】叶正芳，压电陶瓷在引燃、引爆方面的应用[J]，压电与声光，1993,15（5）：56～60

【2】SWARTZ S L.SHROUT TR,TAKENAKAT, Electronic ceramics R&D in the US and Japan[J].Parr I：Japanese View Am Ceram Soc Bull，1997,76（8）：51～55

【3】钟 川．新型超高位移陶瓷致动器[J]．压电与声光，1994，16(6)：54～ 55

【4】DOGAN A．UCHINO K．NEWNHAM R E Composite piezoelectric transducer with truncated conical endcaps“Cymbal” [J]，IEEE Trans Ultras Ferrofreq Contr，1997,44（3）：597～605

【5】UCHINO K ,Recent development in actuators [C] SPIE,1998,3,32:46～57

【6】KAWASHIMAS, OHNISHIO, HAKAMATAH, etal. Third order longitudinal mode piezoelectric ceramic transformer and its application to lugh-voltage power inverter[C].Proc IEEE int Ultras Symp，1994:525～530

【7】NAKAMURAK，ADACHIY. Piezoelectric transformer using LiNbO3 single crystals[J]，Electron Commun Jpn 3 Fundam Electron Sci(USA).1998,8(7):1～6

【8】王树和，严宗达．压电薄膜在振动控制中的应用及有限元分析[J]．压电与声光，1997，19(4)：277～281

【9】李光强，黄尚廒.智能结构系统的噪声主动控制方法[J]．压电与声光，l 997，19(1)：42～46下载本文