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1、压电陶瓷与汽车（创新型）摘要汽车在高速行驶时，会受到风的阻力的影响，如果能将风的阻力应用起来，那将是一件 不朽的壮举。而压电陶瓷就具备这样的特性。如果将汽车的表面用压电陶瓷片制成，这样 汽车在高速行驶时，阻力会挤压压电陶瓷片，这样，压电陶瓷就会把机械能转换成了电能 由此而制得的电能，既可以用于汽车的电启动，空调等用，也可以用于汽车照明，从而减少 了燃料的燃烧，从根本上减少了碳的排放。 关键词：压电陶瓷；汽车；电能；阻力；二氧化碳； 引言：此次研究工作主要是为了迎合低碳排放的国际环境，响应国家节能减排的 号召，在材料性能方面进行的一项探索与革新活动。压电陶瓷材料在传感器，制 动器，换能器等很多领
2、域有着广泛的应用。压电陶瓷已经遍布在日常生活的的每 个角落。香烟。煤气灶，热水器等的点火要用压电点火器；电子钟表，声控灯， 报警器，儿童玩具，电话等都要用上压电谐振器。但压电陶瓷应用于汽车表面， 至今还是一片空白。压电陶瓷是电解质陶瓷的一个重要组成部分，它包括压电陶 瓷，热释电陶瓷和铁电陶瓷三种。他会因压力而产生变形，离子电荷的对称性被 破坏时呈压电性。这样就将阻力转换成了电能。为了证明它的可行性，可以将制 得的压电陶瓷用风扇吹或将其置于风口，然后观察其发电效果。如果当在风力的 挤压作用下真的产生了电流，那么就证明本次设想具有可行性。正文：1.1 压电陶瓷压电陶瓷是指能把电能转换成机械能或把机
3、械能转换成电能的陶瓷材料。压 电陶瓷材料除介电性能要求外，主要是压电性能要求，压电性能可通过机械品质 因数，机电耦合系数，弹性系数，压电常数等性能参数来反映。1.2 压电陶瓷的主要性能参数1.1.1机电耦合系数（k ）p它是表示压电体中机械能和电能相互耦合强弱程度的一个参数，k的具体含p义可表示为：k 2二由机械能转换的电能/输入的总机械能。由上式可见，k值是反pp映压电陶瓷材料机-电能量转换能力的一个很重要的参数。机电耦合系数k不仅p 与材料本身的性质有关，也和振动方式有关，目前生产的压电陶瓷， k 值能高达 0.7 左右。1.1.2机电品质因数（Q ）m它是表示压电陶瓷振子在谐振时，储存的
4、机械能与一个振动周期内损耗的机 械能之比。所以 Q 的值越大，则机械损耗越小。m1.1.3弹性常数压电陶瓷在交变电场作用下，因其压电效应会产生交替的伸缩变化，这是一 种与激励电场频率相一致的受迫机械振动。振子做这种谐振时的形变实际上很 小，可以看作是弹性形变。弹性常数即是反映压电陶瓷在这种弹性形变范围内应 力与应变关系的一个参数。1.1.4 压电常数它是表示压电介质把机械能转换为电能或电能转换为机械能的一个比例常 数。它反映了应力或应变与电场或电位移之间的关系，直接反映出材料机电性能 耦合关系和压电效应的强弱1.3 压电陶瓷的制备工艺压电陶瓷的生产工艺与介电陶瓷类似，不同的是烧银后需极化，下面
5、以锆钛 酸甜为例着重介绍几个工艺要点。一是 PZT 预烧合成，该阶段要严格控制杂质为 微量，粉料平均粒度达亚微米级，选择合理的煅烧温度制度，以保证反应完全， 一般650摄氏度左右保温l-2h先生成PbTiO，到850摄氏度左右保温2h,生成3Pb（ ZrTi）O 煅烧温度过高过低，保温时间过长过短均不利合成反应及合成料性3能；预烧合成须在氧化气氛中进行。二是锆钛酸铅材料的合成，预烧后，合成料 还需加入一些添加剂以促进烧结，抑制晶粒的长大及改性，最终制的致密的压电 陶瓷。烧成需在氧化气氛进行，有时为促进烧结，还可采取通氧排氮措施；烧成 温度，保温时间对烧成及材料性能影响很大，若烧成温度过高，保温
6、时间过长， 除易引起晶粒异常长大外，还会引起PbO挥发，弓I起晶相分解，降低密度及压电 性能，为防止PbO挥发可采取密封，埋入熟料粉，加PbO气氛片或在配料中加入 0.1%-0.2%过量PbO等措施。三是极化，压电陶瓷粉料必须经过极化后才具有压 电性能，极化就是在直流电场作用下使铁电畴沿电场方向取向。为使极化充分进 行，可提高极化电场强度，极化温度，使电畴定向排列较容易，对锆钛酸铅极化 条件为极化电场3-5MV/m，极化温度100-105摄氏度，极化时间20min （热油）。1.4 压电陶瓷应用于汽车表面阻力做功就会将制得的压电陶瓷片全部包裹在汽车的表面，汽车在行驶的时 候表面将受到各个方向的
7、压力，这样，通过压电陶瓷的作用将会产生电能。通过 查阅资料，得汽车在高速行驶时受到大约200N风的阻力的作用，这样，每行驶 lKm,有200kJ,而压电陶瓷的机电耦合系数k大约在0.7左右，看一组数据：P行驶路程/Km100200300400500机械能/KJ20000400006000080000100000电能/KJ1400028000420005600070000而普通汽车每年都得行驶10000km左右，这样将产生2000000KJ的能量，汽油的 热值为46000KJ/kg,这样每辆车每年将节约汽油43.4kg,而全国在2010年的汽 车数量为 7167 万辆，这样算来节约的能源就不是一个小数目了，大约节约汽油 3.1 *108kg，而每kg汽油大约放出2.3kgCO，这样每年减少CO的排放大约是 2 27.13*108kg，大约 7.13*105吨。结论：当压电陶瓷应用于汽车表面后，全国每年将节约汽油3.1 *108kg,减少CO2 排放 7.13*105吨，可见压电陶瓷应用于汽车表面还是具有可行性的，这样既减 少了燃料的燃烧，又减少了 CO的排放，可以称的上是一举两得。2参考文献：1张玉龙，马建平 实用陶瓷材料手册M北京：化学工业出版社，2006.607-613要根据压电陶瓷的公式进行计算，继续努力！85分
