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壓電陶瓷的特性有哪些

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壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料-壓電效應(yīng),壓電陶瓷除具有壓電性外,還具有介電性、彈性等,已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達(dá)等。壓電陶瓷利用其材料在機(jī)械應(yīng)力作用下,引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移而發(fā)生極化,導(dǎo)致材料兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷即壓電效應(yīng)而制作,具有敏感的特性,壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等,除了用于高科技領(lǐng)域,它更多的是在日常生活中為人們服務(wù),為人們創(chuàng)造更美好的生活而努力。


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(tǒng)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。此外,還有一種偏鈮酸鹽系壓電陶瓷,如偏鈮酸鉀鈉(Na0.5·K0.5·NbO3)和偏鈮酸鍶鋇(Bax·Sr1-x·Nb2O5)等,它們不含有毒的鉛,對環(huán)境保護(hù)有利。


壓電特性的物理機(jī)制
經(jīng)過極化了的壓電陶瓷片的兩端會出現(xiàn)束縛電荷,所以在電極表面上吸附了一層來自外界的自由電荷。當(dāng)給陶瓷片施加一外界壓力F時,片的兩端會出現(xiàn)放電現(xiàn)象。相反加以拉力會出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電效應(yīng)的現(xiàn)象屬于正壓電效應(yīng)。
另外,壓電陶瓷具有自發(fā)極化的性質(zhì),而自發(fā)極化可以在外電場的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此當(dāng)給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場時會發(fā)生如圖所示的變化,壓電陶瓷會有變形。然而,壓電陶瓷之所以會有變形,是因?yàn)楫?dāng)加上與自發(fā)極化相同的外電場時,相當(dāng)于增強(qiáng)了極化強(qiáng)度。極化強(qiáng)度的增大使壓電陶瓷片沿極化方向伸長。相反,如果加反向電場,則陶瓷片沿極化方向縮短。這種由于電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成機(jī)械效應(yīng)的現(xiàn)象是逆壓電效應(yīng)。


其他特性
壓電陶瓷具有敏感的特性,可以將極其微弱的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電信號,可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護(hù)、家用電器等。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動,用它來制作壓電地震儀,能準(zhǔn)確地測出地震強(qiáng)度,指示出地震的方位和距離。這不能不說是壓電陶瓷的一大奇功。
壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小,不超過本身尺寸的千萬分之一,別小看這微小的變化,基于這個原理制做的準(zhǔn)確控制機(jī)構(gòu)--壓電驅(qū)動器,對于精密儀器和機(jī)械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域都是一大福音。
諧振器、濾波器等頻率控制裝置,是決定通信設(shè)備性能的關(guān)鍵器件,壓電陶瓷在這方面具有明顯的優(yōu)越性。它頻率穩(wěn)定性好,精度高及適用頻率范圍寬,而且體積小、不吸潮、壽命長,特別是在多路通信設(shè)備中能提高抗干擾性,使以往的電磁設(shè)備無法望其項(xiàng)背而面臨著被替代的命運(yùn)。

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