压电陶瓷应用

压电陶瓷的市场用途及其发展

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，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。

所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。塑料甚至金属进行加工。

压电陶瓷的用途主要有以下几个：

1、声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。

2、压电引爆器自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。

3、压电打火机现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。

4、防核护目镜核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光辐射达到危险程度时，护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压电，在1/1000 s里，能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光消失后，又能恢复到原来的状态。这种护目镜结构简单，只有几十克重，安装在防核护目头盔上携带十分方便。

5、超声波换能器适用于用于超声波焊接设备以及超声波清洗设备，主要采用大功率发射型压电陶瓷制作，超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置，超声波换能器作为能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，

而它自身消耗很少的一部分功率。

6、声呐在海战中，最难对付的是潜艇，它能长期在海下潜航，神不知鬼不觉地偷袭港口、舰艇，使敌方大伤脑筋。如何寻找敌潜艇？靠眼睛不行，用雷达也不行，因为电磁波在海水里会急剧衰减，不能能效地传递信号，探测潜艇靠的是声纳------水下耳朵。压电陶瓷就是制造声纳的材料，它发出超声波，遇到潜艇便反射回来，被接收后经过处理，就可测出敌潜艇的方位、距离等。

压电铁电陶瓷材料的应用已遍及人们日常生活中的每个角落。如香烟、煤气灶、热水器的点火要用到压电点火器；电子钟表、声控门、报警器、儿童玩具、电话等都要用上压电谐振器和蜂鸣器；银行、商店、超净厂房和安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合都可能要用上能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器；医院检查人体内脏器官要用装有压电陶瓷探头的医用超声仪；家用电器中的电视机要用压电陶瓷滤波器、压电SAW滤波器、压电变压器；收录机要用压电微音器、压电喇叭；照相机和录像机要用压电马达等。

压电陶瓷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了大量的应用。如将压电陶瓷做成水声换能器，作为核潜艇的一双明亮的“眼睛”，可以顺利进行水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷等工作；用压电陶瓷做成的压电引信，可以精确引燃引爆破甲弹等杀伤性武器；再如压电陶瓷制作的压电陀螺，是航空航天不可或缺的“舵手”等等。

但是“环境材料”的概念提出对传统的压电铁电陶瓷的应用提出了新的挑战。

目前传统的压电铁电陶瓷，包括弛豫性铁电陶瓷在内，大多是含铅陶瓷，其中氧化铅(或四氧化三铅)约占原料总重量的70%左右。含铅压电铁电陶瓷在制备、使用及废弃后处理过程中都会给环境和人类带来损害。为了保护地球和人类的生存空间，防止环境的污染，2001年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中限制有害物质”的法令，并定于2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电器件。

为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于非铅系压电陶瓷的研究与开发。美国、日本和我国也将相继通过类似的法令，并已逐年提高了对研制非铅系压电陶瓷项目的支持力度。由此可见，发展非铅系的环境协调性的压电铁电陶瓷是一项紧迫且具有重大实用意义的课题。中国科学院在1979年就开始致力于非铅压电陶瓷的制备及其传感器器件的研制。2001年在国家高技术研究发展计划(“863”计划)的资助下，成功地开发了钙钛矿结构的钛酸铋钠钾系列和铋层状结构的钛酸铋锶钙系列的无铅压电陶瓷材料。

不过，目前国内压电陶瓷市场上的无铅化产品未形成产业化优势，主流的压电陶瓷产品以传统的技术和生产方式进行运作，国内“无铅化”正是行业内主要的努力方向，尽快形成相应的研发、生产、销售一条龙的健康商业链条也是目前首要任务。