功能陶瓷及应用

压电陶瓷由于它的压电性及有压电性引起的机电性能的多样性而获得了广泛应用。由于压电陶瓷器件种类繁多和应用范围广泛，很难使用一种简单的方法对它们进行严格分类。一般的应用可笼统地分为压电振子和压电换能器两类。

一，换能器

压电效应的应用是多种多样的，其中最重要的一类就是利用它的换能特性。它的“换能特性”就是：若在压电陶瓷上施加电的作用，就可以通过逆电压效应将电能转换为机械能；或者相反，若在压电陶瓷上施加机械作用，也可以通过正压电效应将机械能转换成电能。人们利用压电陶瓷的这一物理性质，制造了许多种压电器件，在水下通信、超声、高压点火等领域都有广泛应用。

1,压电陶瓷点火器

这是一种将机械力转换为电火花而点燃燃烧物的装置，是机电换能器。1958年开创利用钛酸钡（BaTiO3）陶瓷的压电效应进行点火，单这种材料着火率不高，噪声大，1962年开始使用锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷制作点火器。这种点火器广泛应用于日常生活、工业生产以及军事方面，用以点燃气体和各类炸药及火箭的引燃引爆。

（1）基本原理：点火器工作过程分高压产生、放电点火和点燃可燃气体三个阶段。

高压产生——以圆柱形压电陶瓷元件为例，如图6-11所示。

当机械力F作用于圆柱体时，晶体发生畸变，导致晶体中正、负电荷中心偏移，从而在圆柱体上、下表面出现自由电荷大量积聚，产生高压输出。输出电压为：V=ga3Fh/A，式中A——圆柱体截面积；h——圆柱体高度；ga3——压电电压常数。

放电点火——把压电陶瓷元件放在一个闭合回路中，并留一个适当间隙，当电压升高到该间隙的放电电压时，间隙中就产生放电火花。

点燃可燃气体——一般燃料气体不易燃烧，所以多采用易气化的乙烷。为延长放电时间防止火花过快熄灭，以提高点燃率。可在放电端串入一个适当电阻。

（2）点火器结构和工作原理：点火器种类繁多，现以家用压电点火器为例说明它的结构和工作原理。

如图6-12所示的点火器，可固定在家用灶具上点燃煤气，转动凸轮开关，利用凸轮凸出部分推动冲击块，并压缩冲击块后的弹簧。当凸轮凸出部分脱离冲击块后，由于弹簧弹力作用，冲击块给陶瓷压电元件一个冲击力，便在压电元件两端产生高压，并从中间电极输出高压，产生电火花点燃气体。

2，水声换能器

水声换能器是用于水下通信和探测的换能器装置。人们知道，空中通信和探测主要靠电磁波来进行，如无线电通信及雷达设备等均靠电磁波在空中传递信息。水下通信和探测利用电磁波则不可以，这是因为电磁波在水中传播损耗很大，传不多远就是被谁吸收掉，而声波在水中的传播损耗很小，因此水下通信和探测主要利用声波来传递信息，产生和探测声波的仪器叫声呐系统，声呐系统是水下导航、通信、探测潜艇和鱼群、海洋研究等方面所不可缺少的工具。人们将水中的声呐与空中的雷达相比，声呐系统的耳目则是水声换能器。水声换能器的研究始于第一次世界大战中。法国的郎之万根据压电效应首先利用石英晶体制作水声换能器。尽管郎之万创作的水声换能器在当时受技术条件的限制，没有实际用于深海潜艇上，但为以后开辟水声科学却做出重大贡献。郎之万换能器是利用石英晶体的逆电压效应向水中发射声波，通过正电压效应接收从水中返回的声波，根据脉冲声波的往复时间，进行一些水中测量。郎之万换能器的结构如图6-13所示。

第二次世界大战期间，人们对压电水声换能器进行了深入系统的研究，使之达到实用化。不过当时主要应用的压电材料是具有水溶性的压电晶体——罗息盐和磷酸二氧钾。20世纪50年代后期，出现了压电陶瓷。用压电陶瓷制作水声换能器，几乎成为人们选用的主要压电材料。因为它具有许多过去压电晶体所没有的特点，成为制作水声换能器的最理想的压电材料，至今尚无其他材料能与之媲美。压电陶瓷水声换能器的主要优点是：

（1）不需要直流偏压和线圈，振动系统简单；

（2）压电陶瓷换能器的尺寸小，且特性优异；

（3）压电陶瓷换能器可根据需要，制成任意的形状。

压电式换能器是目前水声技术领域应用最广泛的一类换能器。水声换能器的性能指标只要有工作频率，机电耦合系数，机电转换系数，品质因数，频率特性，阻抗特性，方向特性，振幅特性，发射灵敏度，接收灵敏度，发射器功率，温度和时间稳定性，机械强度以及重量等。但是，对于一种实用的换能器而言，也不是不分场合地一律提出这样多的指标要求，而是根据其用途和使用场合，有重点地提出不同且有代表性的指标要求。

二，压电振子

PZT系压电陶瓷出现后，使制作陶瓷滤波器成为可能。利用压电振子的不同振动模式可以做出不同频率的陶瓷滤波器。最早应用的振动模式是径向振动或轮廓振动，制作455kHz滤波器。后来，陶瓷滤波器的频率向两端发展，高端达10MHz，低端至1kHz以下。由于能阱模的应用，使陶瓷滤波器的频率高达100MHz，应用叉指换能器激发的声表面滤波器已高达1GHz以上，用压电陶瓷作衬底的声表面波滤波器的最高频率已可达630MHz。

压电变压器就其应用来说也是一种振子，其基本结构是在压电陶瓷体上设置两组电极，成为四端。在初级端加上电信号使之共振，次级端就有输出。这样，共振时作为变压器而工作。压电变压器的研究开始较早。应用单片陶瓷制作的压电变压器，其功率及驱动电压都不易提高。采用与独石电容器制造技术相同的多层复合技术制作多层压电变压器，其功率及驱动电压均有很大提高，进一步开拓了压电变压器的应用范围。

1，压电变压器

从20世纪50年代就开始研制压电变压器。当时以钛酸钡为主要材料。升压比较低（只有50~60倍）。输出电压3000V左右。随着锆钛酸铅压电陶瓷材料的出现，升压比提高到300~500倍，逐步推广应用于电视机、静电复印机、负离子发生器中作为高压电源。

（1）基本原理。输入压电瓷片的电振动能量通过逆压电效应转换成机械振动能，再通过正压电效应又换成电能。在这两次能量转换中实现阻抗变换（由低阻抗变成高阻抗），从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的压电输出。现以伸缩振动的横纵向型变压器为例说明变压器原理。

如图6-14所示，整个陶瓷片分成两部分，左部为输入端（又称驱动部分），上、下面都有烧渗的银电极，沿厚度方向极化，右部为输出端（又称发电部分），其右端面有烧渗的银电极。沿长度方向极化。当输入端加上交变电压时，由于逆电压效应，瓷片产生沿长度方向的伸缩振动，将输入电能转变为机械能；而发电部分则通过正电压效应，将机械能转变为电能，从输出端输出电压。无负载时，开路升压比为：

式中，Qm为材料的机械品质因数；K31，K33为材料的纵、横向机电耦合系数；L为发电部分的长度；t为变压器厚度。

压电变压器主要用于高压、低功率和正弦波变换的情况，具有输出电压高、重量轻、体积小、无泄漏磁场、不燃烧等独特优点。为了获得多个电压输出，根据横-纵变压器的输出电压与长度成正比，越靠近发电部分端头，电压越高，可在发电部分的不同位置制作电极作为轴头，从而获得不同的电压输出。

（2）独石（多层）压电陶瓷变压器基本工作原理及特点。压电陶瓷是一种脆性材质，为保障其机械强度，压电变压器必须有一定厚度，上述变压器的驱动电压就收到了相当限制。为此独石（多层）压电陶瓷变压器项目应运而生。独石（多层）压电陶瓷变压器的基本结构形式如图6-15所示。

采用了独石（多层）结构后每一单层厚度和层数均可调，驱动电压不再受到限制，因而可以使压电变压器无论处在何种驱动电压下都能工作在最佳状态。

此项目的核心技术为亚微米低温烧结压电陶瓷材料、内电极共烧技术、极化处理技术及结构设计。独石（多层）压电陶瓷变压器（MPT）是第三代电子变压器，具有以下特点。

①超薄：厚度一般不超过4mm。

②转换效率高：满载时达97%以上（电阻性负载）。

③具有负载短路自动截止工作的自保护特性。

④谐振变压器：可实现零电压、零电流转换。

⑤对于低阻抗负载具有准恒流输出特性。

⑥无反峰压，可靠保护功率放大电路。

⑦无电磁干扰。

⑧无线圈击穿、霉断。

⑨抗盐雾、耐候性好，尤其适于海洋性气候使用等。

2，压电陶瓷拾音器和扬声器

压电陶瓷在电声设备上有广泛应用，例如压电陶瓷拾音器、扬声器。

（1）双膜片型振子（图6-16）。电声设备要求机械阻抗低，能与音源或振动源相匹配，双膜片型压电振子能符合这些要求。它是由两片长度伸缩的压电陶瓷片黏合而成，当一片伸长时，另一片缩短，整体做弯曲运动。

图6-16给出双膜片型振子的工作原理，当一片有一定厚度的压电陶瓷受力弯曲时，在其厚度的一侧为伸长，另一侧为压缩，此时陶瓷片内部将产生电荷，但由于整个膜片极化方向相同，而上侧为伸长，下侧为压缩，因而引起电偶极矩相反，上下侧电荷符号相同，故不存在电位差，如图6-16（a）所示。如改用两片叠合的双膜片结构，当受力弯曲时，则可获得电压输出。图6-16（b）使用两片极化方向相反的膜片串联连接，受力时上面一片伸长，下面一片压缩。由于极化方向相反，因而双膜片上下两面带符号相反电荷，可获得电压输出。图6-16（c）是用极化方向相同的两片膜片并联连接叠合而成，也可获得输出电压。

（2）压电陶瓷扬声器结构和工作原理：压电陶瓷扬声器是一种结构简单、轻巧的电声器件，具有灵敏度高、无磁场散播外溢、不用铜线和磁铁、成本低、耗电少、修理方便、便于大量生产等优点。

其结构如图6-17所示。

其驱动系统为压电陶瓷双膜片，振动系统为纸盆，耦合元件把驱动系统的能量有效地传递给振动系统。工作时，加在压电陶瓷双膜片上的电能转换为机械能，通过耦合元件传给纸盆使之振动发声。压电双膜片具有较高阻抗，构成电压驱动，力F和电压V之间的关系为F=KV，K为比例系数，设包括辐射阻抗在内的振动机械阻抗为Z，则振动速度为：v=F/Z

可以得到高振动膜中心r处的声压P。|P|=10fρS/r |v|

式中：f——频率；ρ——介质密度；S——椎体有效面积。

此外，还可根据压电陶瓷压电效应制成其他的电-声能量转换器，如送、受话器，蜂鸣器等。