《材料与社会》打火机的秘密——压电陶瓷

3.1 打火机的秘密——压电陶瓷
1. 初识压电陶瓷
什么是压电陶瓷呢？让我们从身边的一个例子讲起：这是一个打火机，我们只要按一下打火按钮，打火机就能点着，但你知道点火的原理吗？今天我们就来看个究竟：
这是打火机的点火装置实物图和结构示意图，我们看到它里面用到了两粒柱状压电陶瓷。

当我们按压打火按钮时，弹簧会推动一个重锤打击压电陶瓷柱，产生一数千伏的高压火花，点燃可燃气体。

由外力压缩一个弹簧，压到顶点后释放，弹簧力推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压火花，点燃可燃气体。

打火时，弹簧力施到压电陶瓷上，就产生电荷，形成高电压。

这种瞬间高压，通过电‘路中的间隙时，就会高压放电而发生电火花，从而点燃气瓶中的易燃气体（丁烷)
这颗小圆柱体就是一个压电陶瓷，在这里它能在压力作用下产生电荷（或电压）。

压电陶瓷是指能在压力作用下产生电荷的陶瓷。

实际生活和工程应用中，除了这种小圆柱体的压电陶瓷外，我们会根据使用的场合，把压电陶瓷做成如片状、环状、球状，长方体状等各种各样的形状。

正压电效应
压电陶瓷
机械能｛电能
｝
逆压电效应
压电效应包括
正压电效应：压力（或形变）→电压
和逆压电效应：电压→压力（或形变）
而它们都有一个共同的特性：就是给这些材料施加压力或形变时，会在材料表面会产生电荷电压，这种现象称为“正压电效应“。

反过来在它们的某些方向施加电压，它们就会产生变形，这种现象称为“逆压电效应“。

正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。

压电陶瓷是指具有压电效应的陶瓷材料。

2. 压电的基本原理
为什么压电陶瓷在压力作用下能产生电荷？是不是每种材料都有压电效应呢？这个有点复杂，让我们仔细看一下：
我们可以先从单晶体来看，有些单晶体不具有对称中心，如图中六边形结构，在正常状态下，三个红色表示的阳离子的电荷中心应该在它们组成的三角形的形心上，也即在六边形的中心；三个紫色表示的阴离子的电荷中心也在六边形的中心，正负电荷中心重合，这样晶体呈电中性。

当晶体受到压缩形变时，阳离子三角形和阴离子三角形的形心变化，使阳离子的电荷中心向右偏移，而阴离子的电荷中心向左偏移，这样晶体右边带正电，左边带负电。

反过来也一样。

当晶体受到拉伸形变时，正负电荷中心也会偏移，使晶体两侧带电。

压电陶瓷内部包含许多单晶晶粒，按理它的压电效应更强，但由于各晶粒和电畴方向随机分布，在内部打架呢，因而对外不显示压电效应。

怎么才能让它的压电效应表现出来？工程师们要做的是给它梳理一下，也就是通过外加强直流电场，使电畴转向成定向排列，这个过程叫预极化，只有经过预极化处理的压电陶瓷才会呈现出压电效应。

3. 压电效应应用举例
我们可以通过两个小例子来展示一下压电效应：上面这个例子中，只需敲打压电材料，LED灯就会被点亮；这是正压电效应，
下面这个例子中，给压电材料加上电压后，压电材料振动，带动水往上喷，形成喷泉，这是逆压电效应，
压电效应可以使机械能和电能间相互转换，而这，我们可以用它来做点什么呢？
压电发电
如今智能手机功能越来越丰富，我们使用时间也越来越多，但遗憾的是，动不动手机就没有电了。

为了解决这个问题，美国工程师开发了一款利用压电材料
的正压电效应制成的压电背包，它可通过背带的压力产生能量，为智能手机或USB电子设备充电。

作为一名智能手机用户，每天要为手机充多少次电知道吗？对于重度手机用户来说，无论工作、出行还是聚餐，常常会带上移动电源装置，随时为自己的iPhone或Android手机补充电量。

但是现在出现了一种新发明，如果你每天坚持步行，那再也不用担心手机电量，因为这个装置可以让你走路也能充电。

最近，一位年仅15岁的菲律宾小小发明家Angelo Casimiro研发了一款创意鞋类装置，主打为智能手机或USB设备供电，电力由人体步行的脚步驱动。

当用户依次移动、抬高脚步等动作将激发压电陶瓷膜，实现电力转换等任务。

据Angelo Casimiro介绍，目前他的个人装置在8小时步行路程内能够充满一块400毫安时容量的锂电池，这也意味着对于智能手机用户来说，平均只能充满20%的电量（相对于2000mAh容量的手机电池）。

因此对于外出旅行、出差的智能机用户来说，它能够有效缓解了手机电量不足的困境。

Casimiro在他的介绍视频里解释说：“电力是由一个由两对压电圆片组成的鞋垫发电机生成的，当晶体向内弯曲时，产生能量。

发电机与储存动力的电池相焊接，然后，就可以通过USB连接到任何设备。

”
这项充电装置也一反传统充电方法，非常适合长时间在外工作、旅行的手机用户，无需携带移动电源或备用电池等装备。

除了支持为智能机充电外，Angelo Casimiro发明的这个装置还能为手电筒、收音机或其他USB设备供电，还可以装备导航跟踪技术，例如GPS追踪。

这双特制的鞋子已经进入谷歌科技展，来自马尼拉的Angelo Casimiro在6月22日就可以知晓自己是否可以晋级这个展会的决赛并成为区域冠军。

然而对于这个孩子还有一个不好的消息，一个名为SolePower的公司生产了一项具有类似功能的鞋垫，并且在Kickstarter上成功融资，在这个秋天就会将产品正式上市。

类似于Casmirio的项目，鞋垫有一个USB接口可以接到手机上。

根据这个公司的介绍，用户只需步行2.5英里，就可以为一部iPhone充满电。

不管Angelo Casimiro的项目最后是否成功，在今年秋天起，边走路边充电将成为一项现实。

虽然目前这项技术还处于初级阶段，穿着这双鞋打2个小时的篮球只能转换大约10分钟的电能，但至少一切都已经开始了，不是吗？2010年上海世博会上，日本馆展示了压电发电地板，参观者轻轻几步就可将电灯点亮，这让很多人惊喜不已。

压电点火
压力产生的电荷，除了像压电发电一样被收集储存起来以外，我们也可以像前面的压电打火机一样，直接利用，比如：制成压电点火装置。

运用压电陶瓷产生的瞬间高压，放电而形成电火花，达到点火目的。

广泛运用于燃气灶，热水器等许多需要点火的地方。

这样打火时，也不用装电池了，而且到燃气灶，热水器旧了报废时，它还仍然可用。

压电引信
在军事上，有反坦克火箭，我们希望弹头一碰到坦克钢板就立刻爆炸，而不应该落地后等一段时间再爆炸。

那么压电引信在这里起作用了。

把压电元件放置在弹头前端，只要一碰到坦克，压电元件产生高压，高压连接到弹头后端的起爆装置，引爆整个弹火，从而瞬间爆炸。

在二次大战中反坦克火箭曾发挥过重要作用。

在现代战争中，反坦克火箭仍发挥着不可忽视的重要作用
在珍宝岛战役中，40火箭筒中就应用了压电激发装置及压电引信，40 火箭筒曾大批生产，为保卫边疆立下了汗马功劳。

交通应用
在交通方面，压电陶瓷可以用于轮胎的压力监测和车速的测量：
把压电材料装在轮毂上，把胎压信号转变成电压信号，传递到驾驶室内，司机就不用下来用脚踢轮胎也可知道胎压了。

不同的胎压通过压电陶瓷将产生不一样的电压，从而起到监测胎压的作用。

把两段压电材料埋在公路下，汽车通过时，产生电信号，分析两个电信号之间的时间差就可以算出汽车的行驶速度。

压电马达
以上都是运用正压电效应的例子，运用逆压电效应又能做什么呢？逆压电效应是通过电的作用让元件产生机械运动。

首先想到的是压电马达。

它直接把电能转换成机械能输出，而无需电磁线圈的新型马达，与普通电磁马达相比，它结构简单、体积小、功耗低。

我们看，它可以做得比我们的手指或眼睛都要小许多。

另外，由于它是从电能直接转换为机械能而不通过磁电转换，因此，不产生磁干扰也不怕磁干扰。

这种压电马达可用于精密、可能有磁干扰的场合，如航空、航天、精密仪器、机器人、扫描电镜微动台、照相机自动聚焦、磁头移动等。

超声波马达是利用压电陶瓷的逆压电效应，直接把电能转换成机械能输出而无需电磁线圈的新型电机，与普通电磁马达相比，它具有结构简单、启动快、体积小、功耗低等特点。

另外，由于它是从电能直接转换为机械能而不通过磁电转换，因此，不产生磁干扰也不怕磁干扰。

它还可以低速运行而不用减速机构。

这种微型电机在航空、航天、精密机械、仪器仪表、自动控制、机器人、扫描电镜微动台、照机自动聚焦、磁头移动、机动车辆刮水器和电动开关车窗等。

工作原理是利用压电体在电压作用下发生振动，驱动运动件旋转或作直线运动。

由于一般压电体的能量转换效率较低，且振动或伸缩的幅值很小，因而只能制成特殊要求的专用电动机，获得微小变位的蠕动。

1981年，日本指田年生研制成超声波压电电动机(简称超声波电动机)，克服了传统压电电动机转换效率低和变位微小的缺陷，使压电电动机开始进入工业实用阶段。

超声波电动机既可用作精密驱动机构的驱动元件，也可在速度和位置伺服系统中作执行元件。

压电打印
微压电打印技术相比于传统加热式打印，墨滴圆、小、没有卫星墨滴、打印头寿命长、喷射频率快，能耗低等有许多的优势。

运用压电陶瓷的逆压电效应，还可做成压电打印喷头。

只需把电压加到压电陶瓷上，就可产生机械运动，从而喷射出墨滴。

而不需像传统打印要经过加热。

这样一来压电打印相比于传统加热式存在许多优势，我们看一下它们各自的打印效果：压电打印的墨滴圆、小、没有卫星墨滴、而且因不需加热而打印头寿命更长、喷射频率更快，能耗也更低。

声电转换
压电陶瓷还可以制成声电转换器：一方面它可以运用正压电效应做成话筒，在人讲话的声压作用下，陶瓷产生与人声音相对应的电讯号而传输出去。

反过来，它也可以运用逆压电效应制成听筒（耳机），在音频电压的作用下，让压电陶瓷产生振动，从而推动空气发声。

压电陶瓷如果配上控制电路，可成为蜂鸣器或电子乐器，产生优美动听的声音。

蜂鸣器应用面非常广，产量极其巨大(以数十亿件计)，如电子门铃、新年音乐贺卡等。

压电超声
与耳机类似，压电陶瓷也可用于产生频率比声波更高的超声波，超声波是一种高于人的可听声波频率范围的声波。

（频率高于20000 Hz ）人类听不出超声波，但不少动物却有此本领（如蝙蝠）。

超声波可以成像。

在医学上，医生利用 B 型超声波诊断仪做胃部、腹部检查，还可以观察胎儿的发育情况。

在工程上，工程师利用它制成超声波探伤仪，检测构件内部缺陷。

因为超声波能透入构件的深处，并在缺陷处产生反射波。

超声探伤已成为目前应用十分广泛的无损探伤手段。

它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，
这是x光探伤所达不到的深度。

在大气中，人们依靠无线电波(雷达)进行通讯，然而在水下或地底下，无线电波易被吸收而衰减，故无法使用。

人们利用超声波定向性好，在水中传播距离远特点制成声纳，可以做成探鱼器和军舰上的声纳系统：发现鱼群和潜艇，还可以测绘海底形状。

更多的应用
利用压电陶瓷的谐振效应可以制成压电滤波器，它只允许一定频段的电波通过，而其余频段的电波则不能通过、或完全被吸收。

现代调频及调幅收音机、电视机中均离不开它。

压电陶瓷制成变压器，体积小重量轻，可运用于掌上电脑、手提电脑、数字摄像机等设备中。

压电地震仪,它非常灵敏，能精确测出地壳内细微的变化，甚至可以检测到十多米外昆虫拍打翅膀引起的空气振动，能精确测定地震强度
压电陶瓷还可以做成自动控制系统中的压电陀螺仪，能抑制飞行器的横滚振动，保持飞行平稳，波音747等飞机均使用过。

除了前面介绍的应用外，压电陶瓷的应用还有很多很多。

我们可以用它作滤波器、变压器、地震仪和陀螺仪等，你还能想到什么应用吗？。