压电陶瓷:机械能与电能相互转换的“法器”
2020-12-18 17:40:19
古时候,人们常常通过塑造神话形象来解释一些无法理解的自然现象。例如,雷公是司掌雷鸣之神,法器是锲锤,可以击打出隆隆的雷声;电母是司掌闪电之神,法器是两面神镜,可以发射出耀眼的电光。近现代,我们通过科学认识到雷声和电光同生于放电现象,雷声源于空气击穿引起的冲击波,属于“机械能”;而电光源于正负电荷冲撞产生的电火花,属于“电能”。由此来看,雷公的法器可以产生机械能,电母的法器可以释放电能。
那么,是否存在机械能与电能相互转换的“法器”呢?当然存在,这种“法器”被科学界称作“压电陶瓷”。压电陶瓷可以将机械能转化成电能(正压电效应),如压电陶瓷打火机;还可以将电能转化成机械能(逆压电效应),如口罩机上使用的超声波换能器压电陶瓷环。
超声波焊接用压电陶瓷环
1 压电陶瓷的结构属性
法器的神奇之处往往在于其拥有独特的结构。作为机械能与电能相互转换的法器,压电陶瓷具备神奇的结构属性:自发极化。普通的介质陶瓷,只有在外电场作用下才能极化。而压电陶瓷无需借助外电场,仅仅依靠本身的铁电体结构,就能自发极化。不过,压电陶瓷的自发极化与温度有关:在居里温度Tc以上,晶体处于顺电态,不能自发极化;在居里温度Tc以下,晶体处于铁电态,能够自发极化。
压电陶瓷基本都是铁电体:当温度低于居里温度Tc时,晶体中晶胞的离子发生位移,造成正负电荷中心不重合,进而产生固有电偶极矩;相邻晶胞产生同样的连锁反应,扩展成为铁电体的基本单元——电畴。注意,产生自发极化的条件是:离子位移后固定在新位置上的力大于位移后的恢复力。
压电陶瓷材料分类
结构
实例
优点
缺点
钙钛矿
BaTiO3
压电系数、介电常数高
Tc=120℃,较低
PbTiO3
Tc=490℃,热稳定性好
难极化,工艺加工困难
PZT,即Pb(Zr、Ti)O3
Tc>300℃,压电系数高且稳定,可掺杂改性
含铅材料
钨青铜
PbNb2O6
Tc=570℃
机械品质因数低
铌酸锂
LiNbO3
Tc=1210℃,介电常数低、压电常数高
碱金属易挥发,陶瓷致密度低
铋层状
Bi4Ti3O12
Tc=375℃,介电常数低,适用于高频场合
压电系数低
2 压电陶瓷的“激活”方式
《西游记》中,孙悟空头上戴的紧箍是一件很有灵性的法器,只要唐僧的咒语一起,紧箍便被“激活”,而孙猴子就得受罪了。事实上,压电陶瓷的灵性也需要被“激活”,只是并非咒语,而是强直流电场。
压电陶瓷虽然具备自发极化的独特结构,但作为多晶体,内部电畴的排列方向杂乱无章,极化效应相互抵消,导致宏观不呈现压电效应。极化是压电陶瓷的“激活”方式。所谓极化,就是在压电陶瓷上施加一个强直流电场,使陶瓷内的电畴沿电场方向取向排列;在电场去除后,陶瓷内仍能保留相当的剩余极化强度,也就具备了压电性能。
压电陶瓷的“极化”
极化状态可以用电滞回线来描述:压电陶瓷的极化强度随电场强度的增大而增大,在C点达到饱和;若逐渐减小电场强度,极化强度将沿另一条曲线减小,当电场强度降为0时,极化强度保留在Pr点,即剩余极化强度。
电滞回线
3 压电陶瓷的应用
压电陶瓷的应用大致可以划分为两大类:压电换能器与压电振子。具体见下表。
压电陶瓷的应用
应用
分类
举例
压电换能器
超声换能器
超声探伤、清洗等
水声换能器
声呐、探测器等
电声器件
扬声器、送话器等
传感器
压力计、流量计等
引燃、高压发生器
点火器等
压电振子
微波器件
滤波器等
电力电子器件
压电变压器、振荡器等
超声探伤仪
压电振荡器
王京