關于壓電陶瓷的簡述及特性

　　壓電陶瓷是電子功能陶瓷中的一大類材料，它的基本特性是能進行電能與機械能的相互轉換，可制成無線電元件、電聲元件、超聲換能元件、引燃引爆元件等，具有十分廣泛的應用領域。

　　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。以下是壓電陶瓷的部分用途及市場情況。

1、電聲換能器

　　電聲換能器主要用于各類報警器、骨傳導送話器、受話器、壓電喇叭等。報警器可用于各類家電的報警、煙霧報警、汽車防盜報警、消防、個人安全報警等；骨傳導送話器是將人說話時耳骨的振動的語音信號轉換成電信號，從而將語音信號傳輸到接收端的新一代抗噪聲送話器，目前日本已有該類藍牙耳機；壓電受話器及喇叭具有超薄、低功耗等特性。

　　用于一般報警器的電聲換能器還沒替代產品，還是具有很大的市場，而高聲壓報警器在特殊環境的報警將有較大增量；隨著手提終端向超薄及低功耗發展，壓電受話器及喇叭將成為手提終端的最佳的選擇，具有很好的市場前景。

2、超聲換能器

　　超聲換能器適用于超聲馬達、超聲霧化、聲波雷達、超聲波清洗、超聲焊接、超聲美容、超聲加工、超聲育種、遙測遙控、交通監測、測距、檢漏、流量及熱量檢測、機器人成像信息采集等。超聲波換能器目前無替代產品，其應用市場正在穩固發展。目前需求大增的口罩機中，超聲波換能器就是其急缺的核心部件。

3、壓電水聲換能器

　　水聲換能器在軍事方面和民用領域都有廣泛的應用，對尤其是海洋石油勘探方面的海底資源探索十分重要。許多國家都在對民用水聲設備進行大力研發，目的是使海洋開發事業的發展進程加快。目前，應用最廣泛的一種水聲換能器是壓電水聲換能器，它的原理是利用壓電效應實現電信號與水聲信號的相互轉換。

　　壓電水聲換能器分為接收型和發射型，前者先將聲能向機械能進行轉換，再將機械能轉換為電能；后者先把電能轉換成機械能，再向聲能進行轉換。而實際應用中經常兼有兩種功能。壓電陶瓷用于完成水聲信號的接收和發射，其材料性能很大程度上決定了壓電水聲換能器的器件性能。因此，高性能的收發兼用的壓電陶瓷振子的研發不僅對加強我國海軍的作戰裝備實力具有現實意義，而且對海洋資源的開發也具有積極意義。

4、壓電減振系統

　　壓電減振系統可分為被動減振與主動減振。被動減振是在壓電陶瓷表面制備一層電阻膜，壓電陶瓷將振動或噪聲轉換成電能，電流通過電阻膜轉換成熱能，熱能通過導熱器導出而起到減振及降噪的作用；主動減振是將壓電陶瓷復合在需減振的物體上，將其振動波形轉換成相應的電壓信號，通過相位調整及放大加到耦合在振動件上的換能器做反向振動，從而抑制振動，達到減振的目的。這類應用目前應用不多，大部分還在試驗階段，如電腦降噪及一些軍用裝置需要的減振系統等，將有很好的市場前景。

5、壓電致動元件

　　壓電陶瓷致動元件分單片橫向伸縮型、彎曲型、厚度疊層型、橫向疊層型、管型、鈸型等，廣泛用于航空航天、共軌噴油器、高速智能閥門、納米定位、精微加工、激光陀螺微位移補償系統、變形鏡的形變控制、硬盤驅動器(磁頭定位)、光學儀器(光軸調整、焦點調整)、壓電泵、針織提花系統、盲人閱讀器等。

　　壓電致動元件技術難度大，目前國際上只有少數公司能做，中國起步較晚，目前電腦提花針織機已大量應用壓電致動元件，納米定位平臺及精微加工的微進給系統日趨成熟，國內的應用正在逐步形成，預計未來能夠形成較大市場。

6、壓電能量采集

　　壓電發電毯（日本已將壓電發電毯用于地鐵顯示牌的供電）、壓電發電鞋（在鞋底放置壓電能量采集裝置，行走時發電，可用于電池充電及鞋體發熱等）、肌肉發電（植入體內電子裝置的供電）、混合動力及全電力汽車振動能量采集（既能提升減振效果，又能延長將采集的電能饋入電池節能）、海浪發電等。壓電陶瓷能量采集器用于生物電子裝置的永久電源，該項目已見報道，國內也有研究機構開始研究，這將使植入用電裝置的病人免于換電池的痛苦；汽車振動能量的回收也將成為全電力及混合動力汽車不可缺少的部件；我國有很長的海岸線，海浪發電也將成為最潔凈且成本較低的新型能源。

7、壓電引爆引燃元件

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?，F在煤氣灶及打火機，也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。引爆引燃元件目前還沒更好的替代產品，應用市場穩中有升。

8、壓電加速度傳感器

壓電加速度傳感器作為測量工具，主要用在控制系統和檢測系統，是一種小型的慣性傳感器。加速度傳感器隨著微電子技術、傳感器技術和計算機技術的出現和進步得到了飛快的發展。質量塊施加在壓電元件上的力隨著傳感器受振而變化，這個力的變化在被測對象的震動頻率與傳感器固有頻率相差較大時與被測對象的加速度成正比。利用壓電效應，傳感器可以將這個力的變化轉換為電荷信號，再經過放大、檢測電路就可以將處理過的信號輸出給指示儀表。

9、壓電陶瓷變壓器

機械能和電能之間的轉換即為壓電陶瓷變壓器的原理。Rosen等人早在20世紀50年代就提出了Rosen型壓電變壓器，與傳統的電磁變壓器相比，具有體積小、輸出波形好以及不引起電磁干擾等優點。它主要工作在諧振狀態下，是縱向振動模式的典型。

10、片式壓電陶瓷濾波器

　　片式壓電陶瓷濾波器應用頻率范圍很寬，它和LC濾波器相比，具有穩定性較高和小型化等特點。二十世紀九十年代，出現了由輸入輸出電極和層疊的壓電陶瓷薄片構成的多層壓電陶瓷濾波器，該類型濾波器是利用多層陶瓷電容器的制造技術所研制。其內部電極沿與陶瓷層垂直的方向排列，相鄰的電極被陶瓷層分開。當內電極組被施加電壓時，由于逆壓電效應，會在陶瓷內部產生振動并在電極組的輸出部分產生信號輸出。該器件具有小雜散輸出和高頻率等優點，并且能滿足表貼的封裝要求。最重要的是，改變濾波器的頻率不用改變陶瓷材料，只需改變多層陶瓷生瓷片的厚度即可。

關于壓電陶瓷的制備

　　壓電陶瓷的主要制備工序有：組成配料、預燒合成、粉體加工、成形、燒成、覆電極、極化、檢測等。在壓電陶瓷的生產中，每一道工序所用設備、工藝參數對最終產品質量都有很大影響。

　　對粉體加工而言，合成料的粉碎顆粒度及其粒徑分布范圍對壓電陶瓷產品的綜合性能影響很大，通常，粉體粉碎粒徑小、顆粒分布范圍窄對壓電陶瓷產品性能有利。

　　許多壓電陶瓷超聲換能產品，如超聲波水聲探測、超聲波無損探傷、超聲波焊接、超聲波霧化等換能元件，大多采用干壓成形，成形所用的壓電陶瓷造粒粉體的填充性能對成形質量影響很大，理想的干壓成形粉體是松裝密度高、流動性好、得到的壓制坯體和燒成瓷體都具有較高的體積密度。