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壓電陶瓷測試壓電效應和逆壓電效應

2020-07-28 09:21:57

下麵儲能測試公司利用壓電陶瓷測試壓電效應和逆壓電效應。

常用的壓電陶瓷是由鋯鈦酸鉛(PZT)材料做成的。將PZT材料做成的壓電陶瓷片粘在圓形黃銅片上就構成了壓電陶瓷元件。它具有明顯的壓電效應。

首先,將壓電陶瓷片A的兩根引線通過一個按鈕開關與信號發生器相聯。將壓電陶瓷片B的兩根引線與擴音器(帶喇叭)的輸入端相連。將A、B兩個壓電陶瓷片用黑封泥固定在同一個木板製成的箱子上。當觀察者將按鈕開關按下,接通信號發生器和壓電陶瓷A時,由於逆壓電效應,A開始振動,並把振動傳給木箱,木箱的振動傳給壓電陶瓷B,由於壓電效應,使B兩邊產生變化電信號,再傳給擴音器使喇叭發聲,所以這個實驗同時演示了壓電效應和逆壓電效應。

儲能測試

壓電晶體

有一類十分有趣的晶體,當你對它擠壓或拉伸時,它的兩端就會產生不同的電荷。這種效應被稱為壓電效應。能產生壓電效應的晶體就叫壓電晶體。水晶(α-石英)是一種有名的壓電晶體。

如果按一定方向對水晶晶體上切下的薄片施加壓力,那麽在此薄片上將會產生電荷。如果按相反方向拉伸這一薄片,在此薄片上也會出現電荷,不過符號相反。擠壓或拉伸的力愈大,晶體上的電荷也會愈多。如果在薄片的兩端鍍上電極,並通以交流電,那麽薄片將會作周期性的伸長或縮短,即開始振動。這種逆壓電效應在科學技術中已得到了廣泛的應用。用水晶可以製作壓電石英薄片,其麵積不過數平方毫米,厚度則隻有零點幾毫米。別小看這小小的晶片,它在無線電技術中卻發揮著巨大作用。如前所述,在交變電場中,這種薄片的振動頻率絲毫不變。這種穩定不變的振動正是無線電技術中控製頻率所必須的,你家中的彩色電視機等許多電器設備中都有用壓電晶片製作的濾波器,保證了圖像和聲音的清晰度。你手上戴的石英電子表中有一個核心部件叫石英振子。就是這個關鍵部件保證了石英表比其他機械表更高的走時準確度。

裝有壓電晶體元件的儀器使技術人員研究蒸汽機、內燃機及各種化工設備中壓力的變化成為現實。利用壓電晶體甚至可以測量管道中流體的壓力、大炮炮筒在發射炮彈時承受的壓力以及炸彈爆炸時的瞬時壓力等。

壓電晶體還廣泛應用於聲音的再現、記錄和傳送。安裝在麥克風上的壓電晶片會把聲音的振動轉變為電流的變化。聲波一碰到壓電薄片,就會使薄片兩端電極上產生電荷,其大小和符號隨著聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化,再通過電子裝置,可以變成無線電波傳到遙遠的地方。這些無線電波為收音機所接收,並通過安放在收音機喇叭上的壓電晶體薄片的振動,又變成聲音回蕩在空中。是不是可以這樣說,麥克風中的壓電晶片能“聽得見”聲音,而揚聲器上的壓電晶體薄片則會“說話” 或“唱歌”。

壓電高分子

壓電現象是由於應力作用於材料,在材料表麵誘導產生電荷的過程,一般這一過程是可逆的,即當材料受到電參數作用,材料也會產生形變能。木材纖維素、腱膠原和各種聚氨基酸都是常見的高分子壓電性材料,但是其壓電率太低,而沒有使用價值。在有機高分子材料中聚偏氟乙烯等類化合物具有較強的壓電性質。壓電率的大小取決於分子中含有的偶極子的排列方向是否一致。

除了含有具有較大偶極矩的C-F鍵的聚偏氟乙烯化合物外,許多含有其他強極性鍵的聚合物也表現出壓電特性。如亞乙烯基二氰與乙酸乙烯酯、異丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物,均表現出較強的壓電特性。而且高溫穩定性較好。主要作為換能材料使用,如音響元件和控製位移元件的製備。前者比較常見的例子是超聲波診斷儀的探頭、聲納、耳機、麥克風、電話、血壓計等裝置中的換能部件。將兩枚壓電薄膜貼合在一起,分別施加相反的電壓,薄膜將發生彎曲而構成位移控製元件。利用這一原理可以製成光學纖維對準器件、自動開閉的簾幕、唱機和錄像機的對準件。

壓電陶瓷

壓電陶瓷是功能陶瓷中應用極廣的一種。日常生活中很多人使用的“電子打火機”和煤氣灶上的電子點火器,就是壓電陶瓷的一種應用。點火器就是利用壓電陶瓷的壓電特性,向其上施加力,使之產生十幾kV的高電壓,從而產生火花放電,達到點火的目的。

壓電陶瓷實際上是一種經過極化處理的、具有壓電效應的鐵電陶瓷。它是在1946年當有人證實了鈦酸鋇陶瓷有鐵電性之後開始問世的:差不多十年之後,賈菲(Jaffe)等又發現了PbTi03-PbZrO2係(即所謂PZT係)及後來又發現的mPZT為基的三元係壓電陶瓷和铌酸鹽係壓電陶瓷。使壓電陶瓷的性能和可應用性有了極大的提高。特別是三元係壓電陶瓷的出現,使壓電陶瓷在選擇一定耦合係數、溫度特性方麵有了較大的餘地,能滿足多種電子儀器的要求,從而使壓電陶瓷的應用範圍大大增加了。例如陶瓷濾波器和陶瓷鑒頻器,電聲換能器,水聲換能器,聲表的波器件,電光器件,紅外探測器件和壓電陀螺等,都是壓電陶瓷在現代電子技術中的應用。

什麽是壓電陶瓷呢?其實它是一能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料。所謂壓電效應是指某些介質在受到機械壓力時,哪怕這種壓力微小得像聲波振動那樣小,都會產生壓縮或伸長等形狀變化,引起介質表麵帶電,這是正壓電效應。反之,施加激勵電場,介質將產生機械變形,稱逆壓電效應。

1880年法國人居裏兄弟發現了“壓電效應”。1942年,第一個壓電陶瓷材料——鈦酸鋇先後在美國、前蘇聯和日本製成。1947年,鈦酸鋇拾音器——第一個壓電陶瓷器件誕生了。50年代初,又一種性能大大優於鈦酸鋇的壓電陶瓷材料--鋯鈦酸鉛研製成功。從此,壓電陶瓷的發展進入了新的階段。60年代到70年代,壓電陶瓷不斷改進,逐趨完美。如用多種元素改進的鋯鈦酸鉛二元係壓電陶瓷,以鋯鈦酸鉛為基礎的三元係、四元係壓電陶瓷也都應運而生。這些材料性能優異,製造簡單,成本低廉,應用廣泛。

利用壓電陶瓷將外力轉換成電能的特性,可以製造出壓電點火器、移動X光電源、炮彈引爆裝置。用兩個直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代普通的火石,可以製成一種可連續打火幾萬次的氣體電子打火機。用壓電陶瓷把電能轉換成超聲振動,可以用來探尋水下魚群的位置和形狀,對金屬進行無損探傷,以及超聲清洗、超聲醫療,還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵,對塑料甚至金屬進行加工。

壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應到十幾米外飛蟲拍打翅膀對空氣的擾動,並將極其微弱的機械振動轉換成電信號。利用壓電陶瓷的這一特性,可應用於聲納係統、氣象探測、遙測環境保護、家用電器等方麵。

如今壓電陶瓷已經被科學家應用到國防建設、科學研究、工業生產以及和人民生活密切相關的許多領域中,成為信息時代的多麵手。

在航天領域,壓電陶瓷製作的壓電陀螺,是在太空中飛行的航天器、人造衛星的“舵”。依靠“舵”,航天器和人造衛星,才能保證其既定的方位和航線。傳統的機械陀螺,壽命短,精度差,靈敏度也低,不能很好滿足航天器和衛星係統的要求。而小巧玲瓏的壓電陀螺靈敏度高,可靠性好。

在潛入深海的潛艇上,都裝有人稱水下偵察兵的聲納係統。它是水下導航、通訊、偵察敵艦、清掃敵布水雷的不可缺少的設備,也是開發海洋資源的有力工具,它可以探測魚群、勘查海底地形地貌等。在這種聲納係統中,有一雙明亮的“眼睛”——壓電陶瓷水聲換能器。當水聲換能器發射出的聲信號碰到一個目標後就會產生反射信號,這個反射信號被另一個接收型水聲換能器所接收,於是,就發現了目標。目前,壓電陶瓷是製作水聲換能器的材料之一。

在醫學上,醫生將壓電陶瓷探頭放在人體的檢查部位,通電後發出超聲波,傳到人體碰到人體的組織後產生回波,然後把這回波接收下來,顯示在熒光屏上,醫生便能了解人體內部狀況。

在工業上,地質探測儀裏有壓電陶瓷元件,用它可以判斷地層的地質狀況,查明地下礦藏。還有電視機裏的變壓器——電壓陶瓷變壓器,它體積變小、重量減輕,效率可達60%~80%,能耐住3萬伏的高壓,使電壓保持穩定,完全消除了電視圖象模糊變形的缺陷。現在國外生產的電視機大都采用了壓電陶瓷變壓器。一隻15英寸的顯像管,使用75毫米長的壓電陶瓷變壓器就行了。這樣就使電視機體積變小、重量減輕了。

壓電陶瓷也廣泛用於日常生活中。用了兩個直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代了普通的火石製成的氣體電子打火機,可連續打火幾萬次。利用同一原理製成的電子點火槍是點燃煤氣爐極好的用具。還有一種用壓電陶瓷元件製作的兒童玩具,比如在玩具小狗的肚子中安裝壓電陶瓷製作的蜂鳴器,玩具都會發出逼真有趣的聲音。

隨著高新技術的發展,壓電陶瓷的應用必將越來越廣闊。除了用於高科技領域,它更多的是在日常生活中為人們眼務,為人們創造更美好的生活。

壓電材料

壓電材料會有壓電效應是因晶格內原子間特殊排列方式,使得材料有應力場與電場耦合的效應。根據材料的種類,壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體(壓電陶瓷)、壓電聚合物和壓電複合材料四種。根據具體的材料形態,則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類。

聚合物

早在1940年,蘇聯就曾發現木材具有壓電性。之後又相繼在苧麻、絲竹、動物骨骼、皮膚、血管等組織中發現了壓電性。1960年發現了人工合成的高分子聚合物的壓電性。1969年發現電極化後的聚偏二氟乙烯具有較強的壓電性。具有較強壓電性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-γ-甲基-L-穀氨酸酯和尼龍-11等。

複合材料

壓電複合材料是有兩種或多種材料複合而成的壓電材料。常見的壓電複合材料為壓電陶瓷和聚合物(例如聚偏氟乙烯活環氧樹脂)的兩相複合材料。這種複合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長處,具有很好的柔韌性和加工性能,並具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實現聲阻抗匹配。此外,壓電複合材料還具有壓電常數高的特點。壓電複合材料在醫療、傳感、測量等領域有著廣泛的應用。


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