特種陶瓷七功能陶瓷12015

1、第一節(jié)第一節(jié) 鐵電性與壓電性鐵電性與壓電性鐵電體鐵電體熱釋電體熱釋電體 10壓電體壓電體 20 介電體介電體 321.1 概述概述晶體的介電性：晶體的介電性：電場作用引起電介質(zhì)產(chǎn)生極化的現(xiàn)象電場作用引起電介質(zhì)產(chǎn)生極化的現(xiàn)象. P= ( 1 o)E = o ( r- 1) E在極性晶體上施加壓力、張力、切向力時，則發(fā)生與應(yīng)在極性晶體上施加壓力、張力、切向力時，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體兩端將力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體兩端將。在極性晶體上施加電場引起極化，則將產(chǎn)生與電場強度在極性晶體上施加電場引起極化，則將產(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應(yīng)力。成比例的變形或機械應(yīng)力。 +-1.2

2、 自發(fā)極化自發(fā)極化+-+ -未加應(yīng)力未加應(yīng)力加應(yīng)力不產(chǎn)加應(yīng)力不產(chǎn)生極化生極化加應(yīng)力產(chǎn)生極化，加應(yīng)力產(chǎn)生極化，正負電荷中心分開正負電荷中心分開(1) 不具有自發(fā)極化特性，不具有自發(fā)極化特性，但為不對稱中心結(jié)構(gòu)，在但為不對稱中心結(jié)構(gòu)，在外力的作用下，產(chǎn)生極化。外力的作用下，產(chǎn)生極化。+-+未加應(yīng)力未加應(yīng)力加應(yīng)力正負電荷中心不分開，不產(chǎn)生極化加應(yīng)力正負電荷中心不分開，不產(chǎn)生極化結(jié)構(gòu)含有正負離子結(jié)構(gòu)含有正負離子(2) 含有對稱中心的結(jié)構(gòu)含有對稱中心的結(jié)構(gòu)-(3) 無對稱中心，且本身具有自發(fā)極化特性的結(jié)構(gòu)無對稱中心，且本身具有自發(fā)極化特性的結(jié)構(gòu)-+-+-+-+極極化化軸軸C-+-+纖鋅礦纖鋅礦(ZnS)

3、結(jié)構(gòu)在（結(jié)構(gòu)在（010）上投影）上投影表示晶體極性鏈表示晶體極性鏈的兩種方法的兩種方法例例1：具有極性軸或結(jié)構(gòu)本身具有自發(fā)極化的結(jié)構(gòu)：具有極性軸或結(jié)構(gòu)本身具有自發(fā)極化的結(jié)構(gòu)-+-+固固有有偶偶極極子子正正電電荷荷層層與與負負電電荷荷層層交交替替排排列列-+-+-+-+ 例例2：由熱運動引起的自發(fā)極化：由熱運動引起的自發(fā)極化鐵電體的位移性理論：鐵電體的位移性理論：自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，使單位晶胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使單位晶胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來，同時使偏離

4、平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來，同時晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu) 等軸晶系（大于等軸晶系（大于120oC） ： 晶胞常數(shù)：晶胞常數(shù)：a=4.01A 氧離子的半徑：氧離子的半徑：1.32A 鈦離子的半徑：鈦離子的半徑： 0.64A鈦離子處于氧八面體中，鈦離子處于氧八面體中，兩個氧離子間的空隙為：兩個氧離子間的空隙為：4.012 1.32= 1.37A鈦離子的直徑：鈦離子的直徑：2 0.64= 1.28A結(jié)果：結(jié)果：氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。余地。較高溫度時，

5、熱振動能比較大，鈦離子難于在偏離中較高溫度時，熱振動能比較大，鈦離子難于在偏離中心的某一個位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率心的某一個位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率相等，晶體保持高的對稱性，自發(fā)極化為零。相等，晶體保持高的對稱性，自發(fā)極化為零。溫度降低，鈦離子平均熱振動能降低，因熱漲落，熱溫度降低，鈦離子平均熱振動能降低，因熱漲落，熱振動能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服振動能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場作用，有可能向某一個氧離子靠近，在新氧離子電場作用，有可能向某一個氧離子靠近，在新平衡位置上固定下來，并使這一氧離子出現(xiàn)強烈極化，平衡位置上固定下來，并使

6、這一氧離子出現(xiàn)強烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這個方向延長，晶胞發(fā)生發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這個方向延長，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。 鈦、氧離子的位移鈦、氧離子的位移固固有有偶偶極極子子自發(fā)極化：自發(fā)極化：這種極化狀態(tài)并非由外電場引起，而是由這種極化狀態(tài)并非由外電場引起，而是由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起。在這類晶體中，每一個晶胞內(nèi)晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起。在這類晶體中，每一個晶胞內(nèi)存在有固有電矩，通常將這類晶體稱為極性晶體。存在有固有電矩，通常將這類晶體稱為極性晶體。一般介電極化，是介質(zhì)在外電場作用下引起，沒有外一般介電極化，是介質(zhì)在外電場作用下引起，沒有外電場，

7、這些介質(zhì)的極化強度為電場，這些介質(zhì)的極化強度為0。電疇的形成：許多固有電偶極矩產(chǎn)生自發(fā)平行排列電疇的形成：許多固有電偶極矩產(chǎn)生自發(fā)平行排列形成一個疇。形成一個疇。無外加電場時無外加電場時，電疇在晶體中分布雜亂無章，使整，電疇在晶體中分布雜亂無章，使整個晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無極性。個晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無極性。外電場作用時外電場作用時，沿電場方向極化疇長大沿電場方向極化疇長大，逆電場方，逆電場方向的疇消失，其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場方向，向的疇消失，其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場方向，極化強度隨外加電場的增加而增加極化強度隨外加電場的增加而增加，一直到整個結(jié)，一直到整個結(jié)晶體成為一個單一的極

8、化疇為止。如再繼續(xù)增加電晶體成為一個單一的極化疇為止。如再繼續(xù)增加電場只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電介質(zhì)一樣。場只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電介質(zhì)一樣。由極化軸引起自發(fā)極化的晶體，這種晶體的內(nèi)部電由極化軸引起自發(fā)極化的晶體，這種晶體的內(nèi)部電場很強，外電場的作用并不能改變晶體的極化強度，場很強，外電場的作用并不能改變晶體的極化強度，也不能改變其方向，所有質(zhì)點的偶極矩都平行，大也不能改變其方向，所有質(zhì)點的偶極矩都平行，大部分是一個電疇，這樣的熱釋電體大部分為一個電部分是一個電疇，這樣的熱釋電體大部分為一個電疇。疇。由熱運動引起的自發(fā)極化的晶體，產(chǎn)生多疇，有居由熱運動引起的自發(fā)極化的晶體，產(chǎn)

9、生多疇，有居里點和電滯回線等特性，這類晶體具有里點和電滯回線等特性，這類晶體具有熱釋電性和熱釋電性和鐵電性鐵電性。兩種極性（自發(fā)極化）晶體的比較：兩種極性（自發(fā)極化）晶體的比較：具有壓電性材料不一定鐵電體具有壓電性材料不一定鐵電體例如：例如：具有壓電性材料又有鐵電性的材料具有壓電性材料又有鐵電性的材料BaTiO3 、Pb(Zr、Ti)O3、 Pb(Co 1/3 Nb 2/3 )O3 、Pb(Mn Sb )O3 、Pb(Sb Nb )O3。 -石英、纖維鋅礦（石英、纖維鋅礦（ZnS)僅有僅有鐵電性。鐵電性。電介質(zhì)的極化強度與施加電場呈正比：電介質(zhì)的極化強度與施加電場呈正比： P= o eE鐵電材

10、料的極化強度不與施加的電場成線性關(guān)系，并具鐵電材料的極化強度不與施加的電場成線性關(guān)系，并具有明顯的滯后。二者典型的關(guān)系如下圖：有明顯的滯后。二者典型的關(guān)系如下圖：1. 鐵電體鐵電體1.3 鐵電性鐵電性鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場強度間的關(guān)系呈電滯回線特征。場強度間的關(guān)系呈電滯回線特征。Ps：無電場時單疇：無電場時單疇的自發(fā)極化強度；的自發(fā)極化強度；Pr：剩余極化強度；：剩余極化強度；EC ：矯頑場強。：矯頑場強。P鐵電陶瓷的電滯回線鐵電陶瓷的電滯

11、回線EOABECPrCPs自發(fā)極化：自發(fā)極化：在某一低溫時由于熱能所造成的偶極子混亂在某一低溫時由于熱能所造成的偶極子混亂排列被局部電場所克服，從而產(chǎn)生自發(fā)極化，晶體中每排列被局部電場所克服，從而產(chǎn)生自發(fā)極化，晶體中每一個晶胞里存在固有的電偶極矩，形成永久偶極矩。這一個晶胞里存在固有的電偶極矩，形成永久偶極矩。這種電偶極子在無任何外場作用時自發(fā)排列。種電偶極子在無任何外場作用時自發(fā)排列。極性晶體：極性晶體：具有自發(fā)極化特性的晶體具有自發(fā)極化特性的晶體。鐵電體：鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)含有能自發(fā)極化，且自發(fā)極化在一定溫度范圍內(nèi)含有能自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向可隨外電場作可逆轉(zhuǎn)動晶體。即具有鐵電性晶

12、體。方向可隨外電場作可逆轉(zhuǎn)動晶體。即具有鐵電性晶體。鐵電晶體的特點：鐵電晶體的特點：極性晶體、特殊的晶體結(jié)構(gòu)（自發(fā)極化極性晶體、特殊的晶體結(jié)構(gòu)（自發(fā)極化改變方向時，晶體構(gòu)造不發(fā)生大的畸變。改變方向時，晶體構(gòu)造不發(fā)生大的畸變。鐵電晶體的兩大類：鐵電晶體的兩大類：有序有序無序型鐵電體（自發(fā)極化同個無序型鐵電體（自發(fā)極化同個別離子的有序化相聯(lián)系）；位移型鐵電體（自發(fā)極化同一別離子的有序化相聯(lián)系）；位移型鐵電體（自發(fā)極化同一類離子的亞點陣相對于另一類亞點陣的整體位移相聯(lián)系）。類離子的亞點陣相對于另一類亞點陣的整體位移相聯(lián)系）。3 . 鐵電體的性能及應(yīng)用鐵電體的性能及應(yīng)用電滯回線電滯回線介電特性介電特性

13、非線性非線性晶界效應(yīng)晶界效應(yīng)（1）性能）性能（2）應(yīng)用）應(yīng)用 熱釋電材料的應(yīng)用熱釋電材料的應(yīng)用透明鐵電材料的應(yīng)用透明鐵電材料的應(yīng)用鐵電電容器的應(yīng)用鐵電電容器的應(yīng)用 獨石電容器結(jié)構(gòu)圖獨石電容器結(jié)構(gòu)圖陶瓷介質(zhì)陶瓷介質(zhì)中間中間Ni電極電極底層底層Ag電極電極 PbAg內(nèi)內(nèi)電極電極片式結(jié)構(gòu)片式結(jié)構(gòu)外層純外層純Sn電極電極帶引線結(jié)構(gòu)帶引線結(jié)構(gòu)環(huán)氧包封環(huán)氧包封鍍錫銅線鍍錫銅線印刷電極印刷電極壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加壓力、張力、切在極性晶體上施加壓力、張力、切向力時，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時向力時，則發(fā)生與應(yīng)力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體兩端將出現(xiàn)正負電荷。在晶

14、體兩端將出現(xiàn)正負電荷。逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：在極性晶體上施加電場引起極化，在極性晶體上施加電場引起極化，則將產(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應(yīng)力。則將產(chǎn)生與電場強度成比例的變形或機械應(yīng)力。1. 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)1.4 壓電性壓電性極化方向極化方向+ + + + + + + + + + + + 極化方向極化方向+ + + + + + + + + + + + 自由電荷自由電荷釋放電荷釋放電荷極化方向極化方向+ + + + + + + + + + + + + + + + + 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)的電位移與施加的應(yīng)力有如下關(guān)系：正壓電效應(yīng)的電位移與施加的應(yīng)力有如下關(guān)系：

15、 D=dTd:壓電常數(shù)壓電常數(shù)逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變與施加的電場強度有如下關(guān)逆壓電效應(yīng)的應(yīng)變與施加的電場強度有如下關(guān)系：系： S=dEd:壓電常數(shù)壓電常數(shù)注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。注：正、逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)一樣。2. 壓電材料的性能壓電材料的性能（1）機電偶合系數(shù)）機電偶合系數(shù)（2）機械品質(zhì)因數(shù)）機械品質(zhì)因數(shù)（3）頻率常數(shù)）頻率常數(shù)（4）壓電常數(shù)）壓電常數(shù)（5）彈性模量、相對介電常數(shù)、居里溫度等。）彈性模量、相對介電常數(shù)、居里溫度等。介電質(zhì)的基本性能：介電質(zhì)的基本性能：介電常數(shù)、介電損耗等特殊應(yīng)用要求的性能：特殊應(yīng)用要求的性能：如：濾波器要求諧振頻率穩(wěn)定性高3. 壓電振子諧振特性及振動模式

16、壓電振子諧振特性及振動模式阻抗阻抗頻率頻率反諧振反諧振諧振諧振壓電振子：極化后的壓電體。壓電振子：極化后的壓電體。諧振的產(chǎn)生：對壓電振子施加交變電場，當電場頻諧振的產(chǎn)生：對壓電振子施加交變電場，當電場頻率與壓電體的固有頻率一致時，產(chǎn)生諧振。率與壓電體的固有頻率一致時，產(chǎn)生諧振。(1) 諧振特性諧振特性諧振頻率：形成駐波的頻率。諧振頻率：形成駐波的頻率。形成駐波的條件：形成駐波的條件：L= n / 2 振動頻率：振動頻率：f r=u/ （ u-聲波的傳播速度與物體的密度聲波的傳播速度與物體的密度和彈性模量有關(guān)）和彈性模量有關(guān)）諧振線度尺寸與頻率的關(guān)系：諧振線度尺寸與頻率的關(guān)系：L= n（ u/

17、f r ） / 2 n=1, 頻率為基頻，其它為二、三次等諧振頻率為基頻，其它為二、三次等諧振當發(fā)生諧振時，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最小當發(fā)生諧振時，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最小(電流最大電流最大)的頻率的頻率f m附近附近.在兩個諧振之間有一反諧振在兩個諧振之間有一反諧振f a ，電流與電壓同相，發(fā)生，電流與電壓同相，發(fā)生在振子阻抗最大在振子阻抗最大(輸出電壓最大輸出電壓最大)的頻率的頻率f n附近。附近。C1C0L1R通過該等效電路圖求出這一電路的阻抗絕對值，對其求通過該等效電路圖求出這一電路的阻抗絕對值，對其求導(dǎo)，在導(dǎo)，在R=0時，求出時，求出fm,fn fm=1/2 (L1

18、C1)1/2 (串聯(lián)諧振）串聯(lián)諧振）fn=1/2 L1C1C0/(C0+C1) (并聯(lián)諧振）并聯(lián)諧振）此時有：此時有：fm=fr,fn=fa壓電振子的等效電路壓電振子的等效電路電感的意義：當某一振子在交電感的意義：當某一振子在交變電場的作用下，發(fā)生形變，變電場的作用下，發(fā)生形變，引起另一壓電振子形變，從而引起另一壓電振子形變，從而感應(yīng)出電荷。其原因是由于振感應(yīng)出電荷。其原因是由于振子的慣性引起，可等效為振子子的慣性引起，可等效為振子的質(zhì)量，而電容可等效為彈性的質(zhì)量，而電容可等效為彈性常數(shù)，電阻由內(nèi)摩擦引起。常數(shù)，電阻由內(nèi)摩擦引起。（2）壓電振子的振動模式）壓電振子的振動模式 伸縮振動、切變振動

19、、彎曲振動伸縮振動、切變振動、彎曲振動薄片型薄片型極極化化方方向向薄長片薄長片極化方向極化方向厚度振動厚度振動徑向振動徑向振動輪廓振動或輪廓振動或長度振動長度振動橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)沿軸向振動沿軸向振動厚度切厚度切變振動變振動伸縮振動：伸縮振動：極化方向與電場方向平行時產(chǎn)生的振動。極化方向與電場方向平行時產(chǎn)生的振動。包括長度伸縮振動、厚度伸縮振動。包括長度伸縮振動、厚度伸縮振動。切變振動：切變振動：極化方向與電場方向垂直時產(chǎn)生的振動。極化方向與電場方向垂直時產(chǎn)生的振動。包括平面切變振動、厚度切變振動。包括平面切變振動、厚度切變振動?？v向效應(yīng)：縱向效應(yīng)：彈性波傳播方向與極化軸平行。彈性波傳播方向與極

20、化軸平行。橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)：彈性波傳播方向與極化軸垂直。：彈性波傳播方向與極化軸垂直。彎曲振動：彎曲振動：具有兩種以上激勵電極的振子，在極化方具有兩種以上激勵電極的振子，在極化方向與電場方向平行而施加的方式不同時，產(chǎn)生的振動。向與電場方向平行而施加的方式不同時，產(chǎn)生的振動。包括厚度彎曲和橫向彎曲。包括厚度彎曲和橫向彎曲。各種振動模式可達到的頻率范圍各種振動模式可達到的頻率范圍4 . 壓電材料及其應(yīng)用壓電材料及其應(yīng)用鈦酸鋇鈦酸鋇鈦酸鉛鈦酸鉛鋯酸鉛鋯酸鉛鈦鋯酸鉛鈦鋯酸鉛非鈣鈦礦型：非鈣鈦礦型： 焦綠石、硫化鎘、氧化鋅、氮化鋁（1）材料）材料鈣鈦鈣鈦礦型礦型（2） 應(yīng)用應(yīng)用電聲器：揚聲器、送話筒、電

21、聲器：揚聲器、送話筒、水下通訊和探測：水聲換能器、魚群探測器水下通訊和探測：水聲換能器、魚群探測器雷達中的陶瓷表面波器件雷達中的陶瓷表面波器件通訊設(shè)備：陶瓷濾波器通訊設(shè)備：陶瓷濾波器精密測量：壓力計精密測量：壓力計紅外技術(shù)：紅外熱電探測器紅外技術(shù)：紅外熱電探測器高壓電源：變壓器高壓電源：變壓器高壓引線高壓引線壓電陶瓷點火器壓電陶瓷點火器墊塊墊塊外外殼殼沖擊塊沖擊塊VV2V2輸入輸入輸出輸出伸縮振動伸縮振動壓電陶瓷變壓器壓電陶瓷變壓器彎曲振動彎曲振動剪切振動剪切振動全波模諧振全波模諧振應(yīng)力分布應(yīng)力分布位移分布位移分布應(yīng)力分布應(yīng)力分布位移分布位移分布半波模諧振半波模諧振+ + + + + +單片陶

22、瓷壓電膜單片陶瓷壓電膜壓電換能器壓電換能器+ + + 串聯(lián)型串聯(lián)型雙膜片壓電振子雙膜片壓電振子+ + + + +_ _ _ _ _+ + + + +_ _ _ _ _ V等效電路等效電路并聯(lián)型并聯(lián)型+ + + + + +雙膜片壓電振子雙膜片壓電振子+ + + + +_ _ _ _ _+ + + + +_ _ _ _ _ 壓電陶瓷濾波器壓電陶瓷濾波器mVfr2 fa2 fr1 fa1 fmV1221f損耗損耗在頻率附近的信號衰在頻率附近的信號衰減最小減最小fa2（2的反諧的反諧振）振） = fr1（1的諧振）的諧振）3 壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝（以壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝（以PZT陶瓷為例）陶瓷為例）典型壓

23、電陶瓷：鈦酸鋇、鈦鋯酸鉛、鈦酸鉛下面以下面以PZT(PbZrO3-PbTiO3)陶瓷為例介紹壓電陶陶瓷為例介紹壓電陶瓷的必要工序及制作方法。瓷的必要工序及制作方法。壓電陶瓷生產(chǎn)的主要工藝流程：壓電陶瓷生產(chǎn)的主要工藝流程： 配料配料球磨球磨過濾、干燥過濾、干燥預(yù)燒預(yù)燒二次球磨二次球磨過濾、過濾、干燥干燥過篩過篩成型成型排塑排塑燒結(jié)燒結(jié)精修精修上電極上電極燒銀燒銀極化極化測試。測試。（1） 原料處理原料處理 原料的純度原料的純度是制備優(yōu)良壓電陶瓷的首要條件。通常來是制備優(yōu)良壓電陶瓷的首要條件。通常來說，說， 希望原料的純度要高一些，特別是用量比較大的希望原料的純度要高一些，特別是用量比較大的原料，

24、如原料，如 Pb3O4（或（或PbO）、）、ZrO2和和TiO2等，等， 若純度若純度低，引入雜質(zhì)總量就很大，所以純度要高些。小劑量低，引入雜質(zhì)總量就很大，所以純度要高些。小劑量的原料則純度要求相對低些。的原料則純度要求相對低些。 以上原料經(jīng)水洗去除一些水溶雜質(zhì)后烘干，然后進行以上原料經(jīng)水洗去除一些水溶雜質(zhì)后烘干，然后進行煅燒粉碎，通常希望煅燒粉碎，通常希望顆粒度顆粒度在在2um以下。以下。（2）預(yù)燒）預(yù)燒 經(jīng)過煅燒粉碎的原料混合配料后要進行預(yù)燒，其目的經(jīng)過煅燒粉碎的原料混合配料后要進行預(yù)燒，其目的是為了使化學反應(yīng)充分進行。是為了使化學反應(yīng)充分進行。 實驗表明實驗表明，如果預(yù)燒溫度恰當，燒結(jié)溫

25、度可以在很寬，如果預(yù)燒溫度恰當，燒結(jié)溫度可以在很寬的范圍內(nèi)波動，對致密度無顯著影響，預(yù)燒溫度如果的范圍內(nèi)波動，對致密度無顯著影響，預(yù)燒溫度如果偏低，燒成溫度無論如何提高（或延長保溫時間），偏低，燒成溫度無論如何提高（或延長保溫時間），也不能得到很高的致密度。此外，預(yù)燒溫度和保溫時也不能得到很高的致密度。此外，預(yù)燒溫度和保溫時間比較起來，預(yù)燒溫度所起作用更為重要。間比較起來，預(yù)燒溫度所起作用更為重要。 預(yù)燒過程一般需經(jīng)過四個階段預(yù)燒過程一般需經(jīng)過四個階段：線性膨脹（室溫：線性膨脹（室溫400 ）、固相反應(yīng)（）、固相反應(yīng)（400750 ）、收縮）、收縮（750850 ）和晶粒生長（）和晶粒生長（8

26、00900 以上）。以上）。（3）成型和排塑）成型和排塑v簡單形狀的制品通過簡單形狀的制品通過模壓法成型模壓法成型，不均勻截面的條形，不均勻截面的條形制品可以通過制品可以通過擠壓法成型擠壓法成型，薄板用，薄板用流延法和軋膜法成流延法和軋膜法成型型，大的圓環(huán)和更復(fù)雜的形狀用，大的圓環(huán)和更復(fù)雜的形狀用注漿法成型注漿法成型。v成型之前需加入粘合劑（常用的粘合劑的配制質(zhì)量比成型之前需加入粘合劑（常用的粘合劑的配制質(zhì)量比為：聚乙烯醇為：聚乙烯醇15%，甘油，甘油7%，酒精，酒精3%，蒸餾水，蒸餾水75%；在在90下攪拌溶化）。下攪拌溶化）。v成型后生坯中的粘合劑、水分等加溫排去，稱為排塑成型后生坯中的粘

27、合劑、水分等加溫排去，稱為排塑或排膠。或排膠。通常排塑溫度通常排塑溫度800850，保溫時間，保溫時間1小時左小時左右。右。（4）燒結(jié)）燒結(jié)v燒結(jié)溫度范圍主要是由化學組成決定的。燒結(jié)溫度范圍主要是由化學組成決定的。低于燒結(jié)范低于燒結(jié)范圍圍，制品的氣孔率高、致密度低，壓電性能也就差。，制品的氣孔率高、致密度低，壓電性能也就差。如果超過燒結(jié)范圍的上限如果超過燒結(jié)范圍的上限，則由于出現(xiàn)過多液相，會，則由于出現(xiàn)過多液相，會發(fā)生粘連，或嚴重失鉛，也會導(dǎo)致性能下降。此外，發(fā)生粘連，或嚴重失鉛，也會導(dǎo)致性能下降。此外，燒結(jié)溫度過高會使晶粒過大，機械強度變差。燒結(jié)溫度過高會使晶粒過大，機械強度變差。v燒結(jié)過程

28、中燒結(jié)過程中PbO的揮發(fā)的揮發(fā)對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。由于對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。由于PbO揮發(fā)，破壞了配方的化學組成，工藝上為了防止揮發(fā)，破壞了配方的化學組成，工藝上為了防止PbO揮發(fā)，通常采用密封法、埋入法、加氣氛片法等揮發(fā)，通常采用密封法、埋入法、加氣氛片法等措施加以解決。措施加以解決。（5）上電極）上電極 燒成的陶瓷經(jīng)精修、清潔后，就可以被覆上電極。燒成的陶瓷經(jīng)精修、清潔后，就可以被覆上電極。一般來說是將含銀涂料（銀漿）涂于制品表面，一般來說是將含銀涂料（銀漿）涂于制品表面，并在并在600800下燒結(jié)，使銀漿中的氧化銀還原下燒結(jié)，使銀漿中的氧化銀還原為銀，并燒滲到陶瓷表面，形成牢固結(jié)合層。對為

29、銀，并燒滲到陶瓷表面，形成牢固結(jié)合層。對于薄片，可以通過濺射或蒸發(fā)鍍上一層鎳鉻或金于薄片，可以通過濺射或蒸發(fā)鍍上一層鎳鉻或金作為電極。被上電極的產(chǎn)品便可進行人工極化處作為電極。被上電極的產(chǎn)品便可進行人工極化處理。理。（6）極化）極化v壓電陶瓷燒結(jié)后還需極化處理。這是因為剛燒結(jié)好壓電陶瓷燒結(jié)后還需極化處理。這是因為剛燒結(jié)好的壓電陶瓷電疇無規(guī)則取向，故整體不呈壓電性，的壓電陶瓷電疇無規(guī)則取向，故整體不呈壓電性，只有通過極化處理使電疇沿一特定方向極化后才顯只有通過極化處理使電疇沿一特定方向極化后才顯出壓電性出壓電性。v提高極化電場，極化溫度以及延長極化時間有利于提高極化電場，極化溫度以及延長極化時間

30、有利于極化的充分進行。極化的充分進行。4 壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷的應(yīng)用v壓電陶瓷的壓電性是居里兄弟于壓電陶瓷的壓電性是居里兄弟于1880年年在單晶體上在單晶體上發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)的。v1940年以前年以前，只有單晶體壓電材料，由于存在多種，只有單晶體壓電材料，由于存在多種缺點（如易溶于水），未能得到廣泛應(yīng)用。缺點（如易溶于水），未能得到廣泛應(yīng)用。v第一批商業(yè)性壓電陶瓷器件是美國人在第一批商業(yè)性壓電陶瓷器件是美國人在1947年年用陶用陶瓷制造的瓷制造的BaTiO3留聲機拾音器，但留聲機拾音器，但BaTiO3存在壓電存在壓電性弱和壓電性隨溫度變化大的缺點。性弱和壓電性隨溫度變化大的缺點。v1954年年美

31、國美國B.賈菲等人發(fā)現(xiàn)了賈菲等人發(fā)現(xiàn)了PbZrO3-PbTiO3 （PZT）固溶體系統(tǒng)，它使在）固溶體系統(tǒng)，它使在BaTiO3時代不能制作的時代不能制作的器件成為可能。器件成為可能。v70年代年代，人們又研制出，人們又研制出PLZT透明壓電陶瓷，使壓電陶透明壓電陶瓷，使壓電陶瓷的應(yīng)用擴展到光學領(lǐng)域。瓷的應(yīng)用擴展到光學領(lǐng)域。v目前，壓電陶瓷的應(yīng)用已日益廣泛目前，壓電陶瓷的應(yīng)用已日益廣泛，大致可分為，大致可分為壓電壓電振子振子和和壓電換能器壓電換能器兩個方面。兩個方面。前者前者主要是利用振子本主要是利用振子本身的諧振特性，要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定，身的諧振特性，要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定

32、，機械品質(zhì)因數(shù)高。機械品質(zhì)因數(shù)高。后者后者主要是將一種能量形式轉(zhuǎn)成另主要是將一種能量形式轉(zhuǎn)成另一種能量形式，要求機電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)高。一種能量形式，要求機電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)高。壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域壓電陶瓷應(yīng)用（一）壓電陶瓷應(yīng)用（一）壓電陶瓷應(yīng)用（二）壓電陶瓷應(yīng)用（二）5 壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展壓電超聲換能器的應(yīng)用與發(fā)展5.1 引言引言v超聲換能器是實現(xiàn)聲能與電能相互轉(zhuǎn)換的部件。超聲換能器是實現(xiàn)聲能與電能相互轉(zhuǎn)換的部件。v最早的超聲換能器是最早的超聲換能器是P.郎之萬郎之萬(P. Langevin)在在1917年年為水下探測設(shè)計的夾心式換能器。這個換能器是以石為水下探測

33、設(shè)計的夾心式換能器。這個換能器是以石英晶體為壓電材料，用兩塊鋼板在兩側(cè)夾緊而成的。英晶體為壓電材料，用兩塊鋼板在兩側(cè)夾緊而成的。v1933年年以后出現(xiàn)的疊片型磁致伸縮換能器，強度高、以后出現(xiàn)的疊片型磁致伸縮換能器，強度高、穩(wěn)定性好、功率容量大，迅速取代了當時的郎之萬換穩(wěn)定性好、功率容量大，迅速取代了當時的郎之萬換能器。能器。v到了到了50年代，年代，由于電致伸縮材料、鈦酸鋇鐵電陶瓷、由于電致伸縮材料、鈦酸鋇鐵電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的研制成功，使郎之萬型超聲換能鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的研制成功，使郎之萬型超聲換能器再度興起。器再度興起。v目前壓電超聲的應(yīng)用范圍很廣，且對超聲測量精目前壓電超聲的應(yīng)用范

34、圍很廣，且對超聲測量精度、測量范圍、超聲功率以及器件的微小化程度度、測量范圍、超聲功率以及器件的微小化程度的要求越來越高。超聲換能器歷來是各種超聲應(yīng)的要求越來越高。超聲換能器歷來是各種超聲應(yīng)用的關(guān)鍵部件，國內(nèi)外均大力研究，近年來取得用的關(guān)鍵部件，國內(nèi)外均大力研究，近年來取得了很多成就。了很多成就。v本節(jié)將介紹壓電超聲換能器的種類、應(yīng)用和發(fā)展。本節(jié)將介紹壓電超聲換能器的種類、應(yīng)用和發(fā)展。 5.2 壓電超聲換能器的種類壓電超聲換能器的種類 壓電超聲換能器的種類很多：壓電超聲換能器的種類很多：v按組成超聲換能器的壓電元件形狀按組成超聲換能器的壓電元件形狀分為薄板形、圓片形、分為薄板形、圓片形、圓環(huán)形

35、、圓管形、圓棒形、薄殼球形、壓電薄膜等；圓環(huán)形、圓管形、圓棒形、薄殼球形、壓電薄膜等；v按振動模式按振動模式分為伸縮振動、彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動等；分為伸縮振動、彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動等；v按伸縮振動的方向按伸縮振動的方向分為厚度、切向、縱向、徑向等；分為厚度、切向、縱向、徑向等；v按壓電轉(zhuǎn)換方式按壓電轉(zhuǎn)換方式分為發(fā)射型分為發(fā)射型(電電-聲轉(zhuǎn)換聲轉(zhuǎn)換)、接收型、接收型(聲聲-電電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換)、發(fā)射、發(fā)射-接收復(fù)合型等。接收復(fù)合型等。5.3 壓電換能器的應(yīng)用壓電換能器的應(yīng)用 壓電換能器的應(yīng)用十分廣泛，它壓電換能器的應(yīng)用十分廣泛，它按應(yīng)用的行業(yè)按應(yīng)用的行業(yè)分分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、生活、醫(yī)療及軍事等；為工

36、業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、生活、醫(yī)療及軍事等；按實現(xiàn)的功能按實現(xiàn)的功能分為超聲加工、超聲清洗、超聲探測、分為超聲加工、超聲清洗、超聲探測、檢測、監(jiān)測、遙測、遙控等；檢測、監(jiān)測、遙測、遙控等；按工作環(huán)境按工作環(huán)境分為液體、分為液體、固體、氣體、生物體等；固體、氣體、生物體等；按性質(zhì)按性質(zhì)分為功率超聲、檢分為功率超聲、檢測超聲、超聲成像等。測超聲、超聲成像等。（1）壓電陶瓷變壓器）壓電陶瓷變壓器v壓電變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)電壓電變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)電壓輸出的。壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號驅(qū)動，通過逆其輸入部分用正弦電壓信號驅(qū)動，通過逆壓電效應(yīng)使其產(chǎn)生振動，振動

37、波通過輸入和輸出部分壓電效應(yīng)使其產(chǎn)生振動，振動波通過輸入和輸出部分的機械藕合到輸出部分，輸出部分再通過正壓電效應(yīng)的機械藕合到輸出部分，輸出部分再通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)壓電體的電能產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)壓電體的電能-機械能機械能-電能的兩次變換，電能的兩次變換，在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。v與電磁變壓器相比，這具有體積小，質(zhì)量輕，功率密與電磁變壓器相比，這具有體積小，質(zhì)量輕，功率密度高，效率高，耐擊穿，耐高溫，不怕燃燒，無電磁度高，效率高，耐擊穿，耐高溫，不怕燃燒，無電磁干擾和電磁噪聲，且結(jié)構(gòu)簡單、便于制作、易批量生干擾和電磁噪聲，且結(jié)構(gòu)簡單

38、、便于制作、易批量生產(chǎn)，在某些領(lǐng)域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)產(chǎn)，在某些領(lǐng)域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點。點。此類變壓器用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器、筆記本電腦、氖燈此類變壓器用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器、筆記本電腦、氖燈驅(qū)動器等。驅(qū)動器等。（2）超聲馬達）超聲馬達v 超聲馬達是把定子作為換能器，利用壓電晶體的超聲馬達是把定子作為換能器，利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)讓馬達定子處于超聲頻率的振動，然逆壓電效應(yīng)讓馬達定子處于超聲頻率的振動，然后靠定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來傳遞能量，帶動轉(zhuǎn)后靠定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來傳遞能量，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。子轉(zhuǎn)動。v超聲馬達體積小，力矩大，分辨率高，結(jié)構(gòu)簡單，超聲馬達體積小，力矩大，分辨率高，

39、結(jié)構(gòu)簡單，直接驅(qū)動，無制動機構(gòu)，無軸承機構(gòu)，這些優(yōu)點直接驅(qū)動，無制動機構(gòu)，無軸承機構(gòu)，這些優(yōu)點有益于裝置的小型化。有益于裝置的小型化。它們廣泛應(yīng)用于光學儀器、它們廣泛應(yīng)用于光學儀器、激光、半導(dǎo)體微電子工藝、精密機械與儀器、機激光、半導(dǎo)體微電子工藝、精密機械與儀器、機器人、醫(yī)學與生物工程領(lǐng)域。器人、醫(yī)學與生物工程領(lǐng)域。 (3)超聲波清洗超聲波清洗v 超聲清洗的超聲清洗的機理機理是利用超聲波在清洗液中傳播時的空是利用超聲波在清洗液中傳播時的空化、輻射壓、聲流等物理效應(yīng)，對清洗件上的污物產(chǎn)化、輻射壓、聲流等物理效應(yīng)，對清洗件上的污物產(chǎn)生的機械起剝落作用，同時能促進清洗液與污物發(fā)生生的機械起剝落作用，

40、同時能促進清洗液與污物發(fā)生化學反應(yīng)，達到清洗物件的目的。化學反應(yīng)，達到清洗物件的目的。v清洗所用的清洗所用的頻率頻率根據(jù)清洗物的大小和目的可選用根據(jù)清洗物的大小和目的可選用10500 kHz，一般多為，一般多為2050kHz。隨著頻率的增加，。隨著頻率的增加，可采用郎之萬振子、縱向振子、厚度振子等。可采用郎之萬振子、縱向振子、厚度振子等。v超聲清洗在各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用設(shè)備、電子、汽車、超聲清洗在各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用設(shè)備、電子、汽車、橡膠、印刷、飛機、食品、醫(yī)院和醫(yī)學研究等行業(yè)得橡膠、印刷、飛機、食品、醫(yī)院和醫(yī)學研究等行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。到了越來越廣泛的應(yīng)用。 (4)超聲焊接超聲焊接v

41、超聲焊接有超聲焊接有超聲金屬焊接超聲金屬焊接和和超聲塑料焊接超聲塑料焊接兩大類。兩大類。其其中中超聲塑料焊接技術(shù)超聲塑料焊接技術(shù)已獲得較為普遍的應(yīng)用。它是利已獲得較為普遍的應(yīng)用。它是利用換能器產(chǎn)生的超聲振動，通過上焊件把超聲振動能用換能器產(chǎn)生的超聲振動，通過上焊件把超聲振動能量傳送到焊區(qū)。由于焊區(qū)即兩焊件交界處聲阻大，所量傳送到焊區(qū)。由于焊區(qū)即兩焊件交界處聲阻大，所以會產(chǎn)生局部高溫使塑料熔化，在接觸壓力的作用下以會產(chǎn)生局部高溫使塑料熔化，在接觸壓力的作用下完成焊接工作。完成焊接工作。v超聲塑料焊接超聲塑料焊接可方便焊接其他焊接法無法焊接的部位，可方便焊接其他焊接法無法焊接的部位，另外，還節(jié)約了

42、塑料制品昂貴的模具費，縮短了加工另外，還節(jié)約了塑料制品昂貴的模具費，縮短了加工時間，提高了生產(chǎn)效率，有經(jīng)濟、快速和可靠等特點。時間，提高了生產(chǎn)效率，有經(jīng)濟、快速和可靠等特點。 (5)超聲加工超聲加工v 把微細磨料隨超聲加工工具一起以一定靜壓力加把微細磨料隨超聲加工工具一起以一定靜壓力加在工件上，就能加工出與工具相同的形狀。超聲在工件上，就能加工出與工具相同的形狀。超聲工具使工件表面的磨料以相當大的沖擊力連續(xù)沖工具使工件表面的磨料以相當大的沖擊力連續(xù)沖擊，破壞超聲輻射部位，使材料破碎而達到去除擊，破壞超聲輻射部位，使材料破碎而達到去除材料的目的。材料的目的。v超聲加工超聲加工主要應(yīng)用于主要應(yīng)用于

43、寶石、玉器、大理石、瑪瑙、寶石、玉器、大理石、瑪瑙、硬質(zhì)合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細深孔硬質(zhì)合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細深孔的加工。此外，在普通切削工具上加超聲波振動的加工。此外，在普通切削工具上加超聲波振動時，也可起到提高精度和效率的作用。時，也可起到提高精度和效率的作用。（6）超聲減肥）超聲減肥v利用超聲波的空化效應(yīng)和微機械振動，將人體表皮下利用超聲波的空化效應(yīng)和微機械振動，將人體表皮下多余的脂肪細胞破碎、乳化后排出體外，達到減肥、多余的脂肪細胞破碎、乳化后排出體外，達到減肥、塑形的目的。這是國際上塑形的目的。這是國際上90年代發(fā)展起來的一項新技年代發(fā)展起來的一項新技術(shù)。意大利

44、的術(shù)。意大利的Zocchi首次將超聲去脂用于臨床，并獲首次將超聲去脂用于臨床，并獲得成功，為整形、美容開創(chuàng)了先河。近得成功，為整形、美容開創(chuàng)了先河。近10年來超聲去年來超聲去脂技術(shù)在國內(nèi)外得以迅速發(fā)展。脂技術(shù)在國內(nèi)外得以迅速發(fā)展。（7）超聲育種）超聲育種v對植物種子進行適當頻率和強度的超聲波照射，可提對植物種子進行適當頻率和強度的超聲波照射，可提高種子的發(fā)芽率，降低霉爛率，促進種子的生長，提高種子的發(fā)芽率，降低霉爛率，促進種子的生長，提高植物生長速度。據(jù)資料介紹，超聲波可使某些植物高植物生長速度。據(jù)資料介紹，超聲波可使某些植物種子生長速度提高種子生長速度提高23倍。倍。（8）電子血壓計）電子血

45、壓計v 利用壓電換能器接收血管的壓力，當氣囊加壓緊壓血管時，利用壓電換能器接收血管的壓力，當氣囊加壓緊壓血管時，因外加壓力高于血管舒張壓力，壓電換能器感受不到血管因外加壓力高于血管舒張壓力，壓電換能器感受不到血管的壓力；而當氣囊逐漸泄氣，壓電換能器對血管的壓力隨的壓力；而當氣囊逐漸泄氣，壓電換能器對血管的壓力隨之減小到某一數(shù)值時，二者的壓力達到平衡，此時壓電換之減小到某一數(shù)值時，二者的壓力達到平衡，此時壓電換能器就能感受到血管的壓力，該壓力即為心臟的收縮壓，能器就能感受到血管的壓力，該壓力即為心臟的收縮壓，通過放大器發(fā)出指示信號，給出血壓值。通過放大器發(fā)出指示信號，給出血壓值。電子血壓計由于電

46、子血壓計由于取消了聽診器，可減輕醫(yī)務(wù)人員的勞動強度。取消了聽診器，可減輕醫(yī)務(wù)人員的勞動強度。 （9）遙測遙控）遙測遙控v 在有毒、放射性等惡劣環(huán)境中，人們不能接近工作，需要在有毒、放射性等惡劣環(huán)境中，人們不能接近工作，需要遠地控制；電視機，電風扇以及電燈等電器開關(guān)需要遙控，遠地控制；電視機，電風扇以及電燈等電器開關(guān)需要遙控，都可裝上壓電超聲換能器，通過遠地發(fā)射超聲波由裝在需都可裝上壓電超聲換能器，通過遠地發(fā)射超聲波由裝在需要控制系統(tǒng)上的接收換能器所接收，把聲信號轉(zhuǎn)變成電信要控制系統(tǒng)上的接收換能器所接收，把聲信號轉(zhuǎn)變成電信號使開關(guān)動作。號使開關(guān)動作。 (10)交通監(jiān)測交通監(jiān)測v 現(xiàn)代交通，自動監(jiān)

47、測車輛的通行和計數(shù)以便掌握車輛的運現(xiàn)代交通，自動監(jiān)測車輛的通行和計數(shù)以便掌握車輛的運行情況是非常必要的。行情況是非常必要的。v 如如交通監(jiān)理站交通監(jiān)理站安裝一個收發(fā)兼用的超聲換能器及其附屬設(shè)安裝一個收發(fā)兼用的超聲換能器及其附屬設(shè)備，當車輛通過時就有一個聲脈沖返回，通過計數(shù)累計可備，當車輛通過時就有一個聲脈沖返回，通過計數(shù)累計可得到日行車輛的數(shù)量。得到日行車輛的數(shù)量。v 給給汽車尾部汽車尾部裝一個收發(fā)兩用的換能器，可防止倒車相撞事裝一個收發(fā)兩用的換能器，可防止倒車相撞事故發(fā)生。在故發(fā)生。在公路上公路上安裝接收型壓電超聲換能器還可以監(jiān)測安裝接收型壓電超聲換能器還可以監(jiān)測噪聲指數(shù)。噪聲指數(shù)。 (11

48、)測距測距v 超聲測距裝置又叫聲尺。它是通過收發(fā)兩用的換能器，測超聲測距裝置又叫聲尺。它是通過收發(fā)兩用的換能器，測量脈沖時間間隔。目前的聲尺可測量脈沖時間間隔。目前的聲尺可測10m以內(nèi)的距離，精度以內(nèi)的距離，精度可達千分之幾?？蛇_千分之幾。(12)檢漏及氣體流量檢測檢漏及氣體流量檢測v 對于壓力系統(tǒng)，在泄漏處，由于壓力容器的內(nèi)外壓差造成射流對于壓力系統(tǒng)，在泄漏處，由于壓力容器的內(nèi)外壓差造成射流噪聲。這種噪聲頻譜極寬。對于非壓力系統(tǒng)，可在密閉系統(tǒng)內(nèi)噪聲。這種噪聲頻譜極寬。對于非壓力系統(tǒng)，可在密閉系統(tǒng)內(nèi)安放一個超聲源，然后從密閉系統(tǒng)外部接收。一般未泄漏時測安放一個超聲源，然后從密閉系統(tǒng)外部接收。一

49、般未泄漏時測到的信號幅度極小或沒有，在泄漏處信號幅度有突然增大的趨到的信號幅度極小或沒有，在泄漏處信號幅度有突然增大的趨勢。勢。v 氣體流量檢測也是化工中的重要手段之一。流量檢測目前有多氣體流量檢測也是化工中的重要手段之一。流量檢測目前有多種方法，如浮子流量計等。但超聲法主要優(yōu)點是不妨礙流體的種方法，如浮子流量計等。但超聲法主要優(yōu)點是不妨礙流體的流動。流動。 (13)機器人成像信息采集機器人成像信息采集v 智能機器人要實現(xiàn)在空間自由行走、辨認物體等功能，不僅要智能機器人要實現(xiàn)在空間自由行走、辨認物體等功能，不僅要用超聲換能器測距導(dǎo)盲，而且要成像辨識。所以，需要小型的用超聲換能器測距導(dǎo)盲，而且要

50、成像辨識。所以，需要小型的超聲換能器陣，以實現(xiàn)多種功能，這方面將成為一項重要的研超聲換能器陣，以實現(xiàn)多種功能，這方面將成為一項重要的研究課題，吸引著眾多的科學家為之奮斗。究課題，吸引著眾多的科學家為之奮斗。 5.5 壓電超聲換能器的最新發(fā)展壓電超聲換能器的最新發(fā)展當前發(fā)展方向為大功率、低壓驅(qū)動、高頻、薄膜化、微型化、集成化。當前發(fā)展方向為大功率、低壓驅(qū)動、高頻、薄膜化、微型化、集成化。（1）大功率換能器）大功率換能器v 在許多場合需要大功率的換能器。在大功率換能器領(lǐng)域，在許多場合需要大功率的換能器。在大功率換能器領(lǐng)域，鈮鎂酸鉛鈮鎂酸鉛(PMN)陶瓷是有發(fā)展前途的材料。陶瓷是有發(fā)展前途的材料。P

51、MN的優(yōu)點是的優(yōu)點是在中度的電場中就可以產(chǎn)生大的應(yīng)變，遲滯小。但電致伸在中度的電場中就可以產(chǎn)生大的應(yīng)變，遲滯小。但電致伸縮效應(yīng)是非線性的，相應(yīng)的物理常數(shù)取決于溫度和頻率，縮效應(yīng)是非線性的，相應(yīng)的物理常數(shù)取決于溫度和頻率，且需直流偏壓，這就需要研究如何處理這些問題。且需直流偏壓，這就需要研究如何處理這些問題。v 在工業(yè)液體處理中在工業(yè)液體處理中使用的高強度超聲波需特殊的大功率換使用的高強度超聲波需特殊的大功率換能器，在功率容量、效率、輻射面積和指向性方面都有要能器，在功率容量、效率、輻射面積和指向性方面都有要求。求。大功率換能器有望在礦藏勘探和鉆井上得到應(yīng)用。大功率換能器有望在礦藏勘探和鉆井上得

52、到應(yīng)用。（2）低壓驅(qū)動換能器）低壓驅(qū)動換能器v 許多諧振超聲裝置如超聲馬達和大功率換能器需產(chǎn)生大的許多諧振超聲裝置如超聲馬達和大功率換能器需產(chǎn)生大的振幅。鋯鈦酸鉛振幅。鋯鈦酸鉛(PZT)是廣泛應(yīng)用的電聲轉(zhuǎn)化材料。在是廣泛應(yīng)用的電聲轉(zhuǎn)化材料。在20 kHz時，時，PZT在在400kV/m的電場中，在共振條件下產(chǎn)生的的電場中，在共振條件下產(chǎn)生的振幅要達到微米級，需振幅要達到微米級，需2000V的電壓，的電壓，5mm厚的壓電陶瓷厚的壓電陶瓷環(huán)。環(huán)。v 在某些情況下在某些情況下(航空航天，便攜式裝置航空航天，便攜式裝置)，使用高壓是一種缺，使用高壓是一種缺陷。此時，大振幅的超聲頻率必須用低壓驅(qū)動。減小

53、多層陷。此時，大振幅的超聲頻率必須用低壓驅(qū)動。減小多層陶瓷的電極間的距離可解決這個問題。因為當場強一定時，陶瓷的電極間的距離可解決這個問題。因為當場強一定時，極間距越小，所需電壓也越小。極間距越小，所需電壓也越小。（3）高頻換能器）高頻換能器v 頻率大于頻率大于1520MHz的的B超在醫(yī)療上的應(yīng)用已有十幾年了超在醫(yī)療上的應(yīng)用已有十幾年了，高頻超，高頻超聲應(yīng)用范圍的增加促進了一些領(lǐng)域的迅速發(fā)展。目前已經(jīng)制成高達聲應(yīng)用范圍的增加促進了一些領(lǐng)域的迅速發(fā)展。目前已經(jīng)制成高達100MHz以上的高頻壓電陶瓷振子。以上的高頻壓電陶瓷振子。 v 高頻壓電陶瓷器件高頻壓電陶瓷器件以其體積小、質(zhì)量輕、能耗低、無需

54、調(diào)整等優(yōu)點以其體積小、質(zhì)量輕、能耗低、無需調(diào)整等優(yōu)點被廣泛用于電視機、錄相機、自動化電子裝置、通信設(shè)備、復(fù)印機、被廣泛用于電視機、錄相機、自動化電子裝置、通信設(shè)備、復(fù)印機、計算機、語音合成器和遙控器等電子整機中。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，計算機、語音合成器和遙控器等電子整機中。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，需要越來越大。國內(nèi)僅電視機、遙控器、音響、計算機等電子設(shè)備需要越來越大。國內(nèi)僅電視機、遙控器、音響、計算機等電子設(shè)備年應(yīng)用量約年應(yīng)用量約10億只，而國內(nèi)僅有極少數(shù)幾家生產(chǎn)億只，而國內(nèi)僅有極少數(shù)幾家生產(chǎn)13MHz以下器件，以下器件，產(chǎn)量約產(chǎn)量約3億只，供需矛盾突出，尤其是億只，供需矛盾突出，尤其是13MHz以

55、上的器件基木上依以上的器件基木上依靠進口，市場缺口非常大?？窟M口，市場缺口非常大。v 隨著壓電陶瓷元器件制作工藝技術(shù)的改進，諧振頻率及特性的不斷隨著壓電陶瓷元器件制作工藝技術(shù)的改進，諧振頻率及特性的不斷提高，它將越來越廣泛地取代石英晶體器件，其應(yīng)用量將以每年提高，它將越來越廣泛地取代石英晶體器件，其應(yīng)用量將以每年5%10%的速度遞增。所以研制高頻壓電陶瓷諧振器產(chǎn)品，具有極的速度遞增。所以研制高頻壓電陶瓷諧振器產(chǎn)品，具有極大的推廣應(yīng)用前景，有良好的市場空間。大的推廣應(yīng)用前景，有良好的市場空間。（4）壓電薄膜換能器）壓電薄膜換能器v 超聲成像裝置的圖像分辨率受到超聲換能器頻率的限制。因此，超聲成像

56、裝置的圖像分辨率受到超聲換能器頻率的限制。因此，提高超聲圖像的分辨率己成為超聲成像技術(shù)研究的方向之一。壓提高超聲圖像的分辨率己成為超聲成像技術(shù)研究的方向之一。壓電薄膜制成的換能器具有良好的脈沖響應(yīng)，用于超聲成像可獲得電薄膜制成的換能器具有良好的脈沖響應(yīng)，用于超聲成像可獲得高分辨率的圖像。高分辨率的圖像。（5）換能器的微型化）換能器的微型化v 裝置的微型化離不開動力元件的微型化，在動力微元件中，壓電裝置的微型化離不開動力元件的微型化，在動力微元件中，壓電超聲馬達以其體積小、轉(zhuǎn)速低、力矩大而受到重視。超聲馬達以其體積小、轉(zhuǎn)速低、力矩大而受到重視。v 壓電超聲換能器是壓電微馬達的核心部件。微型壓電超

57、聲馬達的壓電超聲換能器是壓電微馬達的核心部件。微型壓電超聲馬達的研究起始于美國，研究起始于美國，1992年麻省理工學院的年麻省理工學院的Antia.M. Flynn等人研等人研制出薄膜式微型壓電超聲馬達。隨后，日本制出薄膜式微型壓電超聲馬達。隨后，日本T akeshi Morita等成等成功地研制了功地研制了PZT壓電薄膜圓柱微型超聲馬達。但微型壓電超聲馬壓電薄膜圓柱微型超聲馬達。但微型壓電超聲馬達的設(shè)計和制作要求十分苛刻，目前仍處于實驗研究階段，離工達的設(shè)計和制作要求十分苛刻，目前仍處于實驗研究階段，離工業(yè)化還有一段距離。業(yè)化還有一段距離。（6）換能器的集成化）換能器的集成化v 集成包括器件

58、的集成以及器件與電路的集成。電磁變壓器集成包括器件的集成以及器件與電路的集成。電磁變壓器體積大，并產(chǎn)生電磁噪聲，而用壓電變壓器則無此缺點。體積大，并產(chǎn)生電磁噪聲，而用壓電變壓器則無此缺點。集成還有利于減小回路中的寄生電感和電容。集成還有利于減小回路中的寄生電感和電容。5.6 結(jié)束語結(jié)束語v 壓電超聲換能器是超聲技術(shù)的關(guān)鍵部件，其應(yīng)用日趨廣泛。壓電超聲換能器是超聲技術(shù)的關(guān)鍵部件，其應(yīng)用日趨廣泛。國際上對其研究十分活躍。近年來，我國在壓電換能器的國際上對其研究十分活躍。近年來，我國在壓電換能器的研制、應(yīng)用和開發(fā)方面越來越重視，參加研究的單位也越研制、應(yīng)用和開發(fā)方面越來越重視，參加研究的單位也越來越

59、多，并且取得了一定的成績，有些研究成果與國外已來越多，并且取得了一定的成績，有些研究成果與國外已很接近，甚至處于先進水平。但總的來說，與發(fā)達國家的很接近，甚至處于先進水平。但總的來說，與發(fā)達國家的差距仍較大，尤其是在技術(shù)的實用化和產(chǎn)業(yè)化方面。因此差距仍較大，尤其是在技術(shù)的實用化和產(chǎn)業(yè)化方面。因此我們應(yīng)根據(jù)市場需求，研究與市場相適應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)，使我們應(yīng)根據(jù)市場需求，研究與市場相適應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)，使其真正成為推動生產(chǎn)力發(fā)展的科技動力。其真正成為推動生產(chǎn)力發(fā)展的科技動力。具有強磁性的材料稱為磁性材料。具有強磁性的材料稱為磁性材料。磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換，存儲或改變能磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換，存儲或改變能量狀

60、態(tài)的功能，是重要的功能材料量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。 磁性材料廣泛地應(yīng)用于計算機、通訊、磁性材料廣泛地應(yīng)用于計算機、通訊、自動化、音像、電視、儀器和儀表、航空航自動化、音像、電視、儀器和儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。 按化學組成分類按化學組成分類金屬磁性材料、非金屬金屬磁性材料、非金屬(鐵氧體鐵氧體)磁性磁性材料材料 按磁化率大小分類按磁化率大小分類順磁性、反磁性、鐵磁性、反鐵磁順磁性、反磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性性、亞鐵磁性 按功能分類按功能分類軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、壓磁