美日垄断的高性能压电陶瓷,工厂制造如何在压电领域冲出技术重围
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1917年,法国人Paul Langevin和他的同事开发了超声波潜艇探测器,基于声纳中使用压电性材料的成功,使人们对压电器件产生了浓厚的兴趣。在接下来的几十年中,科学家对这些新型压电材料和新应用进行了探索和开发。用来测量流体和固体中的粘度和弹性的超声换能器的开发,从而在材料研究方面取得了巨大的进步。用来检测铸造金属和石材内部的缺陷超声波反射计(其通过材料发送超声波脉冲并测量不连续性的反射),从而提高结构件的安全性能。二战结束后,美国,俄罗斯和日本的独立研究小组发现了一类新的合成材料,其表现出比天然材料高出多倍的压电常数,称为铁电体,人们开始着手研究具有特定应用特性的钛酸钡和锆钛酸铅材料。
所谓压电效应,就是晶体受到外力作用时,会产生电极化效果,并能通过测量手段检测出电极化的程度。这种现象在许多天然的结晶材料中是可以观察到的,包括石英,罗谢尔盐甚至人骨骼。工程材料,如铌酸锂和锆钛酸铅(PZT),表现出较为显著的压电效应。拉伸或压缩晶体产生的应变和应力,这取决于电场的方向,材料中优选的极化方向,以及晶体与晶体之间相邻结构。
在单晶中,所有偶极子的极轴位于一个方向。在多晶体中,在材料内不同的区域具有不同的极轴。它是不对称的。压电陶瓷元件具有多晶结构,它是由许多个微晶单元(域)构成的,而每个微晶单元又由多个晶胞组成。这些铁电体陶瓷的晶胞具有钙钛矿晶体结构, 这种结构通常可以用下图 来表示。
为了产生压电效应,多晶体需要在强电场的作用下被加热。热能的作用,可以使极化轴更容易转向。烧结后,陶瓷体内部即(由方向一致的偶极构成的晶胞)呈现出无规律的排列分布(随机分布),从微观上看材料是各向同性的,没有压电特性。没有外电场作用的情况下,极化轴如下图所示。是无序排布的状态。在有外电场作用下,极化轴排列如下图所示,是有序的。
压电特性必须要经过“极化”才能产生,在这个过程中,陶瓷体被置于强直流电场中,从而使内部电偶极按照电场方向趋于一致,即使电场取消后,陶瓷也可以继续保持一致的极性(残留极性) ---- 这是铁电体陶瓷具有压电特性的必要条件。下图充分的展示出了压电效应,显示的是原始状态的压电材料,没有外加应力作用,也没有显示电荷。 如果材料拉伸,将出现相反极性的电压。
反之,如果给予外加电场力作用,陶瓷材料也会相应的发生变形。如下图所示。反之,具有相同极性的电压将导致材料被压缩, 如果施加了交流信号,则材料将以与信号相同的频率振动。
美日垄断的高性能压电陶瓷 |















