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1、智能陶瓷材料压电陶瓷段涛 2009107204摘要：陶瓷材料分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。特殊材料中的智能 材料是指能够接受外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型 陶瓷，主要有压电陶瓷、形状记忆陶瓷和电流变陶瓷。 前言：陶瓷材料是国民经济和人民生活中不可缺少的重要组成部分。 随着科学技术的不断发展，对材料的性能提出了越来越高的要求。陶 瓷材料分为普通陶瓷和特殊陶瓷两大类。由于陶瓷具有优良的耐热 性、耐磨性、耐腐蚀性、以及高强度和高硬度等优点，因此在国防、 机械、冶金、化工、建筑、电子、生物等领域得到了广泛的应用。智 能陶瓷是指能够接受外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新 型陶瓷，主要有
2、压电陶瓷、形状记忆陶瓷和电流变陶瓷。这里我想研 究的是压电陶瓷的情况。正文：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、
3、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。压电陶瓷材料的发现：某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中 心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称 为压电效应。具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的 机械应力成正比。反之，当这类材料在外电场作用下，其内部正负电荷中心移位， 又可导致材料发生机械变形，形变的大小与电场强度成正比。1946 年美国麻省 理工学院绝缘研究室发现，去电场后仍能保持一定的剩余极化 ,使它具有压电效 应，从此诞了压电陶瓷。在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化 沿电场方向择优取向
4、，除常用的压电陶瓷有钛酸钡系、钛酸铅锆酸铅二元系及在二元系中添加第 三种AB03(A表示二价金属离子,B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价) 型化合物，如：Pb(Mnl/3)Nb2/3)O3和Pb(COl/3Nb2/3)O3等组成的三元系。如 果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物 ,可组成四元系或多元系压电陶 瓷。此外，还有一种铌酸盐系压电陶瓷，如氧化钠(钾)氧化铌(Na0.5K0.5 NbO3) 和氧化钡(锶)氯化铌(BaxSrl-xNb205)等，它们不含有毒的铅，对环境保 护有利。压电陶瓷的制造特点：是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理，使之具有 压电效应。一般极化电场为35kV
5、/mm,温度100150 C,时间520min。这 三者是影响极化效果的主要因素。性能较好的压电陶瓷，如锆钛酸铅系陶瓷，其 机电偶合系数可高达 0.3130.694。压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷 滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、 电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等。压电陶瓷的特性：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
6、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。压电陶
7、瓷的发展前景：在航天领域，压电陶瓷制作的压电陀螺，是在太空中 飞行的航天器、人造卫星的舵。依靠舵，航天器和人造卫星，才能保证其既 定的方位和航线。传统的机械陀螺，寿命短，精度差，灵敏度也低，不能很好满 足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高，可靠性好。在医学上，医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位，通电后发出超声波， 传到人体碰到人体的组织后产生回波，然后把这回波接收下来，显示在荧光屏上， 医生便能了解人体内部状况。在工业上，地质探测仪里有压电陶瓷元件，用它可以判断地层的地质状况， 查明地下矿藏。还有电视机里的变压器-电压陶瓷变压器，它体积变小、重量减 轻，效率可达60%80%
8、，能耐住3万伏的高压，使电压保持稳定，完全消除了 电视图象模糊变形的缺陷。现在国外生产的电视机大都采用了压电陶瓷变压器。 一只15英寸的显像管，使用75毫米长的压电陶瓷变压器就行了。这样就使电视 机体积变小、重量减轻了。压电陶瓷也广泛用于日常生活中。用了两个直径3毫米、高5毫米的压电陶 瓷柱取代了普通的火石制成的气体电子打火机，可连续打火几万次。利用同一原 理制成的电子点火枪是点燃煤气炉极好的用具。还有一种用压电陶瓷元件制作的 儿童玩具，比如在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具都会发出 逼真有趣的声音。 随着高新技术的发展，压电陶瓷的应用必将越来越广阔。除了用于高科技领域， 它更多
9、的是在日常生活中为人们眼务。结论：智能材料的研究和开发是信息科学和材料科学交叉，且融合了生命科学而发展起来的新型科学。21 世纪智能陶瓷将得到更进一步发展，其应用必将更加的广泛。参考文献: 姚康德等。智能材料。天津大学出版社，1996 陶宝祺等。智能材料结构。国防工业出版社，1997 肖尊文等。功能陶瓷。景德镇陶瓷学院，1999森下信。Petrotech,1992,15（1）:23-26（日）石野裕一等。工业材料，1993，41（11）：113-117 故行方等。无机材料学报。1992，（3）：356-360宗宫重行。近代进展。同济大学出版社，1998王晓明等。力学进展。1995，（2）：209-222
