6.3壓電陶瓷資料

1、6.3 6.3 壓電陶瓷壓電陶瓷本章主要內容：本章主要內容：1 1 相關概念相關概念（1 1）極化；（）極化；（2 2）壓電效應；（）壓電效應；（3 3）壓電陶瓷。）壓電陶瓷。2 2 壓電陶瓷的性能參數壓電陶瓷的性能參數（1 1）彈性常數；（）彈性常數；（2 2）機械品質因素；）機械品質因素；（3 3）壓電性、壓電常數與壓電方程；（）壓電性、壓電常數與壓電方程；（4 4）機電耦）機電耦合系數。合系數。3 3 壓電陶瓷的生產工藝（以壓電陶瓷的生產工藝（以PZTPZT陶瓷為例）陶瓷為例）4 4 壓電陶瓷的應用壓電陶瓷的應用5 5 壓電超聲換能器的應用與發(fā)展壓電超聲換能器的應用與發(fā)展壓電陶瓷的結構

2、大多數壓電陶瓷的結構為ABO3，為鈣鈦礦結構。 壓電陶瓷結構 在居里點以上，鈣鈦礦結構為有對稱中心的立方晶系，鈦離子處于氧八面體中心，中間孔隙大于鈦離子的體積，鈦離子可以偏離中心位置，但幾率相同，不顯示極性，在居里點以下，晶型轉變?yōu)樗姆骄担珻軸拉長或變短，鈦離子偏離中心，形成正負電荷中心不重合，晶胞產生極化，稱為極化，晶體內出現的自發(fā)極化方向一致的小區(qū)域叫做電疇。相臨個電疇之間的相交角只能是180或90度。電疇相交的界面叫做疇壁。 電疇示意圖鐵電性 極化隨外電場轉動的性質叫做鐵電性。當外電場變化時，可以使極化強度減少到零和使極化轉向，壓電陶瓷都具有這一性質。 未經極化的壓電陶瓷由于各電疇的自

3、發(fā)極化方向不一致，相互抵消，宏觀極化強度為零。極化后各電疇的自發(fā)極化在一定程度上按外電場的方向排列，內部極化強度不為零，撤銷電場后，大多數電疇還沿原來電場方向排列，剩余極化不為零。在陶瓷的上下表面出現電荷. 正壓電效應 逆壓電效應 壓電陶瓷的壓電效應電滯回線：電滯回線是鐵電體的特征曲線。PS飽和極化強度，PR剩余極化強度。 電滯回線 1 1 相關概念相關概念 （1 1）極化）極化：是指電介質陶瓷中的分子正負電荷移動，造：是指電介質陶瓷中的分子正負電荷移動，造成正負電荷中心不重合，在電介質陶瓷內部形成偶極成正負電荷中心不重合，在電介質陶瓷內部形成偶極矩。矩。 （2 2）壓電效應）壓電效應：在沒有

4、對稱中心的晶體上施加一個：在沒有對稱中心的晶體上施加一個機械機械力力（壓力、張力或切向力）時，則發(fā)生與應力成比例（壓力、張力或切向力）時，則發(fā)生與應力成比例的介質極化，在晶體表面的兩電極上會出現等量的正、的介質極化，在晶體表面的兩電極上會出現等量的正、負電荷，電荷多少與力的大小成正比，當機械力撤去負電荷，電荷多少與力的大小成正比，當機械力撤去后，電荷會消失，這種現象稱為后，電荷會消失，這種現象稱為正壓電效應正壓電效應。當在晶。當在晶體上施加一個體上施加一個外電場外電場引起極化時，晶體會發(fā)生形變，引起極化時，晶體會發(fā)生形變，且形變大小與電場成正比，若撤除電場，則晶體又恢且形變大小與電場成正比，若

5、撤除電場，則晶體又恢復原狀，這一現象稱為復原狀，這一現象稱為逆壓電效應逆壓電效應。正、逆效應統(tǒng)稱。正、逆效應統(tǒng)稱為為壓電效應。壓電效應。 （3 3）壓電陶瓷）壓電陶瓷：經過：經過人工極化人工極化處理具有處理具有壓電效應壓電效應的陶的陶瓷制品。瓷制品。 人工極化：是指在壓電陶瓷上施加直流強電場進行極人工極化：是指在壓電陶瓷上施加直流強電場進行極化，使陶瓷的各個晶粒內的自發(fā)極化方向將平均地取化，使陶瓷的各個晶粒內的自發(fā)極化方向將平均地取向于電場方向，使之具有近似于單晶的極性，并呈現向于電場方向，使之具有近似于單晶的極性，并呈現出明顯的壓電效應。出明顯的壓電效應。2 2 壓電陶瓷的性能參數壓電陶瓷的

6、性能參數（1 1）彈性常數）彈性常數(elastic coefficient)(elastic coefficient)彈性常數是反映材料在彈性形變范圍內應力與應變彈性常數是反映材料在彈性形變范圍內應力與應變關系的物理量。關系的物理量。它服從胡克定律：它服從胡克定律：“在彈性限度范圍內，應力與應在彈性限度范圍內，應力與應變成正比。變成正比?！痹O應力為設應力為T T，加于截面積為，加于截面積為A A的壓電陶的壓電陶瓷上（單位：瓷上（單位：N/mN/m2 2），其所產生的應變?yōu)椋渌a生的應變?yōu)镾 S（無量（無量綱），則根據胡克定律，應力與應變之間有如下關綱），則根據胡克定律，應力與應變之間有如

7、下關系：系：S=sT T=cSS=sT T=cS 式中式中s s為彈性順度常數，單位為為彈性順度常數，單位為mm2 2 / N / N ；c c為彈性勁為彈性勁度常數，單位為度常數，單位為N/mN/m2 2。（2 2）機械品質因素）機械品質因素(mechanical quality factor)(mechanical quality factor) 它表示在振動轉換時，材料內部能量消耗的程度。機械它表示在振動轉換時，材料內部能量消耗的程度。機械品質因素越大，能量的損耗越小。品質因素越大，能量的損耗越小。（3 3）壓電性、壓電常數與壓電方程）壓電性、壓電常數與壓電方程u壓電陶瓷具有壓電陶瓷具有

8、壓電性壓電性，即施加應力時能產生額外的電荷，即施加應力時能產生額外的電荷，其所產生的電荷與施加的應力成比例。其所產生的電荷與施加的應力成比例。u壓電陶瓷的壓電陶瓷的壓電常數壓電常數有壓電應變常數、壓電電壓常數、有壓電應變常數、壓電電壓常數、壓電應力常數以及壓電勁度常數等。壓電應力常數以及壓電勁度常數等。u反映壓電陶瓷的彈性變量（即應力、應變）和電學變量反映壓電陶瓷的彈性變量（即應力、應變）和電學變量 ( (即電場、電位移即電場、電位移) )之間的關系的方程式，稱為之間的關系的方程式，稱為壓電方程壓電方程。（4 4）機電耦合系數）機電耦合系數(electromechanical coupling

9、 (electromechanical coupling factor)factor)u機電耦合系數機電耦合系數K K是綜合反映壓電材料性能的參數，它是綜合反映壓電材料性能的參數，它表示壓電材料的機械能與電能的耦合效應。表示壓電材料的機械能與電能的耦合效應。u機電耦合系數可定義為：機電耦合系數可定義為： 電能轉變?yōu)闄C械能電能轉變?yōu)闄C械能 機械能轉變?yōu)殡娔軝C械能轉變?yōu)殡娔躃 K2 2 = - K= - K2 2 = -= - 輸入電能輸入電能 輸入機械能輸入機械能3 3 壓電陶瓷的生產工藝（以壓電陶瓷的生產工藝（以PZTPZT陶瓷為例）陶瓷為例）典型壓電陶瓷：鈦酸鋇、鈦鋯酸鉛、鈦酸鉛下面以下面以

10、PZT(PbZrOPZT(PbZrO3 3-PbTiO-PbTiO3 3) )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。壓電陶瓷生產的主要工藝流程：壓電陶瓷生產的主要工藝流程： 配料配料球磨球磨過濾、干燥過濾、干燥預燒預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燒結精修精修上電極上電極燒銀燒銀極化極化測試。測試。（1 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。通常來說，是制備優(yōu)良壓電陶瓷的首要條件。通常來說， 希望原料的純度要高一些，特別是用量比較大的原料，希望原料的純度要高一些，特別是用量比較大的

11、原料，如如 PbPb3 3O O4 4（或（或PbOPbO）、）、ZrOZrO2 2和和TiOTiO2 2等，等， 若純度低，引若純度低，引入雜質總量就很大，所以純度要高些。小劑量的原料則入雜質總量就很大，所以純度要高些。小劑量的原料則純度要求相對低些。純度要求相對低些。以上原料經水洗去除一些水溶雜質后烘干，然后進行煅以上原料經水洗去除一些水溶雜質后烘干，然后進行煅燒粉碎，通常希望燒粉碎，通常希望顆粒度顆粒度在在2um2um以下。以下。（2 2）預燒）預燒經過煅燒粉碎的原料混合配料后要進行預燒，其目的經過煅燒粉碎的原料混合配料后要進行預燒，其目的是為了使化學反應充分進行。是為了使化學反應充分進

12、行。實驗表明實驗表明，如果預燒溫度恰當，燒結溫度可以在很寬，如果預燒溫度恰當，燒結溫度可以在很寬的范圍內波動，對致密度無顯著影響，預燒溫度如果的范圍內波動，對致密度無顯著影響，預燒溫度如果偏低，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，預燒溫度和保溫時也不能得到很高的致密度。此外，預燒溫度和保溫時間比較起來，預燒溫度所起作用更為重要。間比較起來，預燒溫度所起作用更為重要。預燒過程一般需經過四個階段預燒過程一般需經過四個階段：線性膨脹（室溫：線性膨脹（室溫400400 ）、固相反應（）、固相反應（400750400750

13、）、收縮）、收縮（750850750850 ）和晶粒生長（）和晶粒生長（800900800900 以上）。以上）。（3 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)和更復雜的形狀用，大的圓環(huán)和更復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量比成型之前需加入粘合劑（常用的粘合劑的配制質量比為：聚乙烯醇為：聚乙烯醇15%15%，甘油，甘油7%7%，酒精，酒精3%3%，蒸餾水，蒸餾水75

14、%75%；在在9090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800850800850，保溫時間，保溫時間1 1小時左小時左右。右。（4 4）燒結）燒結v燒結溫度范圍主要是由化學組成決定的。燒結溫度范圍主要是由化學組成決定的。低于燒結范低于燒結范圍圍，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。如果超過燒結范圍的上限如果超過燒結范圍的上限，則由于出現過多液相，會，則由于出現過多液相，會發(fā)生粘連，或嚴重失鉛，也會導致性能下降。此外，發(fā)

15、生粘連，或嚴重失鉛，也會導致性能下降。此外，燒結溫度過高會使晶粒過大，機械強度變差。燒結溫度過高會使晶粒過大，機械強度變差。v燒結過程中燒結過程中PbOPbO的揮發(fā)的揮發(fā)對產品質量影響很大。由于對產品質量影響很大。由于PbOPbO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PbOPbO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 5）上電極）上電極 燒成的陶瓷經精修、清潔后，就可以被覆上電極。燒成的陶瓷經精修、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

16、說是將含銀涂料（銀漿）涂于制品表面，并在并在600800600800下燒結，使銀漿中的氧化銀還原下燒結，使銀漿中的氧化銀還原為銀，并燒滲到陶瓷表面，形成牢固結合層。對為銀，并燒滲到陶瓷表面，形成牢固結合層。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。被上電極的產品便可進行人工極化處作為電極。被上電極的產品便可進行人工極化處理。理。（6 6）極化）極化v壓電陶瓷燒結后還需極化處理。這是因為剛燒結好壓電陶瓷燒結后還需極化處理。這是因為剛燒結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

17、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有利于極化的充分進行。極化的充分進行。4 4 壓電陶瓷的應用壓電陶瓷的應用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18801880年年在單晶體上在單晶體上發(fā)現的。發(fā)現的。v19401940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），未能得到廣泛應用。缺點（如易溶于水），未能得到廣泛應用。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

18、國人在19471947年年用陶用陶瓷制造的瓷制造的BaTiOBaTiO3 3留聲機拾音器，但留聲機拾音器，但BaTiOBaTiO3 3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。v19541954年年美國美國B.B.賈菲等人發(fā)現了賈菲等人發(fā)現了PbZrOPbZrO3 3-PbTiO-PbTiO3 3 （PZTPZT）固溶體系統(tǒng)，它使在固溶體系統(tǒng)，它使在BaTiOBaTiO3 3時代不能制作的器件成為時代不能制作的器件成為可能。可能。v目前，壓電陶瓷的應用已日益廣泛目前，壓電陶瓷的應用已日益廣泛，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

19、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，機械品質因數高。機械品質因數高。后者后者主要是將一種能量形式轉成另主要是將一種能量形式轉成另一種能量形式，要求機電耦合系數和品質因數高。一種能量形式，要求機電耦合系數和品質因數高。壓電陶瓷的應用領域壓電陶瓷的應用領域應用領域應用領域舉舉 例例 電電 源源雷達，電視顯像管，高壓電源，點火裝置雷達，電視顯像管，高壓電源，點火裝置信號轉換信號轉換振蕩器，音叉，送話器，蜂鳴器，超聲換能器振蕩器，音叉，送話器，蜂鳴器，超聲換能器發(fā)射接收發(fā)射接收超聲探測，聲

20、納，水下導航，無損檢測，醫(yī)療超聲探測，聲納，水下導航，無損檢測，醫(yī)療信號處理信號處理濾波器，放大器，振蕩器，混頻器濾波器，放大器，振蕩器，混頻器傳感計測傳感計測加速度計，壓力計，角速度計，紅外探測器加速度計，壓力計，角速度計，紅外探測器存貯顯示存貯顯示電光、聲光調制器，光存貯器，聲光顯示器電光、聲光調制器，光存貯器，聲光顯示器其其 它它非線性元件，壓電繼電器等非線性元件，壓電繼電器等壓電陶瓷應用（一）壓電陶瓷應用（一）壓電陶瓷應用（二）壓電陶瓷應用（二）5 5 壓電超聲換能器的應用與發(fā)展壓電超聲換能器的應用與發(fā)展5.1 5.1 引言引言v超聲換能器是實現聲能與電能相互轉換的部件。超聲換能器是實

21、現聲能與電能相互轉換的部件。v最早的超聲換能器是最早的超聲換能器是P.P.郎之萬郎之萬(P. Langevin)(P. Langevin)在在19171917年年為水下探測設計的夾心式換能器。這個換能器是以石為水下探測設計的夾心式換能器。這個換能器是以石英晶體為壓電材料，用兩塊鋼板在兩側夾緊而成的。英晶體為壓電材料，用兩塊鋼板在兩側夾緊而成的。v19331933年年以后出現的疊片型磁致伸縮換能器，強度高、以后出現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5050年代，年代，由于電致伸縮材料、

22、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目前壓電超聲的應用范圍很廣，且對超聲測量精度、目前壓電超聲的應用范圍很廣，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的要求測量范圍、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用的關鍵越來越高。超聲換能器歷來是各種超聲應用的關鍵部件，國內外均大力研究，近年來取得了很多成就。部件，國內外均大力研究，近年來取得了很多成就。v本節(jié)將介紹壓電超聲換能器的種類、應用和發(fā)展。本節(jié)將介紹壓電超聲換能器的

23、種類、應用和發(fā)展。 5.2 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、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、扭轉振動等；分為伸縮振動、彎曲振動、扭轉振動等；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按壓電轉換方式按壓電轉換方式分為發(fā)射型分為發(fā)射型( (電電- -聲轉換聲轉換) )、接

24、收型、接收型( (聲聲- -電電轉換轉換) )、發(fā)射、發(fā)射- -接收復合型等。接收復合型等。5.3 5.3 壓電換能器的應用壓電換能器的應用 壓電換能器的應用十分廣泛，它壓電換能器的應用十分廣泛，它按應用的行業(yè)按應用的行業(yè)分分為工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、生活、醫(yī)療及軍事等；為工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、生活、醫(yī)療及軍事等；按實現的功能按實現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；按性質按性質分為功率超聲、檢分為功率超聲、檢測超聲、超聲成

25、像等。測超聲、超聲成像等。（1 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來實現電壓壓電變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應來實現電壓輸出的。輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號驅動，通過逆壓電其輸入部分用正弦電壓信號驅動，通過逆壓電效應使其產生振動，振動波通過輸入和輸出部分的機械效應使其產生振動，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產生電荷，藕合到輸出部分，輸出部分再通過正壓電效應產生電荷，實現壓電體的電能實現壓電體的電能- -機械能機械能- -電能的兩次變換，在壓電變電能的兩次變換，在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。壓器的

26、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，質量輕，功率密度與電磁變壓器相比，這具有體積小，質量輕，功率密度高，效率高，耐擊穿，耐高溫，不怕燃燒，無電磁干擾高，效率高，耐擊穿，耐高溫，不怕燃燒，無電磁干擾和電磁噪聲，且結構簡單、便于制作、易批量生產，在和電磁噪聲，且結構簡單、便于制作、易批量生產，在某些領域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點。某些領域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點。此類此類變壓器用于開關轉換器、筆記本電腦、氖燈驅動器等。變壓器用于開關轉換器、筆記本電腦、氖燈驅動器等。（2 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

27、作為換能器，利用壓電晶體的逆壓電效應讓馬達定子處于超聲頻率的振動，然后逆壓電效應讓馬達定子處于超聲頻率的振動，然后靠定子和轉子間的摩擦力來傳遞能量，帶動轉子轉靠定子和轉子間的摩擦力來傳遞能量，帶動轉子轉動。動。v超聲馬達體積小，力矩大，分辨率高，結構簡單，超聲馬達體積小，力矩大，分辨率高，結構簡單，直接驅動，無制動機構，無軸承機構，這些優(yōu)點有直接驅動，無制動機構，無軸承機構，這些優(yōu)點有益于裝置的小型化。益于裝置的小型化。它們廣泛應用于光學儀器、激它們廣泛應用于光學儀器、激光、半導體微電子工藝、精密機械與儀器、機器人、光、半導體微電子工藝、精密機械與儀器、機器人、醫(yī)學與生物工程領域。醫(yī)學與生物工

28、程領域。 (3) (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，對清洗件上的污物產生化、輻射壓、聲流等物理效應，對清洗件上的污物產生的機械起剝落作用，同時能促進清洗液與污物發(fā)生化學的機械起剝落作用，同時能促進清洗液與污物發(fā)生化學反應，達到清洗物件的目的。反應，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清洗物的大小和目的可選用根據清洗物的大小和目的可選用10500 kHz10500 kHz，一般多為，一般多為2050kHz2050kHz。隨著頻率的增加，。隨著頻率的增加，可采用郎之

29、萬振子、縱向振子、厚度振子等?？刹捎美芍f振子、縱向振子、厚度振子等。v超聲清洗在各種工業(yè)、農業(yè)、家用設備、電子、汽車、超聲清洗在各種工業(yè)、農業(yè)、家用設備、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)得到橡膠、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用。了越來越廣泛的應用。 (4) (4)超聲焊接超聲焊接v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超聲塑料焊接技術已獲得較為普遍的應用。它是利已獲得較為普遍的應用。它是利用換能器產生的超聲振動，通過上焊件把超聲振動能用換能器產生的超聲振動，通過上焊

30、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，所以會產生局部高溫使塑料熔化，在接觸壓力的作用下以會產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，提高了生產效率，有經濟、快速和可靠等特點。時間，提高了生產效率，有經濟、快速和可靠等特點。 (5) (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

31、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。超聲工在工件上，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)沖擊，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材料的破壞超聲輻射部位，使材料破碎而達到去除材料的目的。目的。v超聲加工超聲加工主要應用于主要應用于寶石、玉器、大理石、瑪瑙、寶石、玉器、大理石、瑪瑙、硬質合金等脆硬材料的加工以及異型孔和細深孔的硬質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時，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

32、用。也可起到提高精度和效率的作用。（6 6）超聲減肥）超聲減肥v利用超聲波的空化效應和微機械振動，將人體表皮下多利用超聲波的空化效應和微機械振動，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、塑形余的脂肪細胞破碎、乳化后排出體外，達到減肥、塑形的目的。這是國際上的目的。這是國際上9090年代發(fā)展起來的一項新技術。年代發(fā)展起來的一項新技術。意大利的意大利的ZocchiZocchi首次將超聲去脂用于臨床，并獲得成功，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。近為整形、美容開創(chuàng)了先河。近1010年來超聲去脂技術在年來超聲去脂技術在國內外得以迅速發(fā)展。國內外得以迅速發(fā)展。

33、（7 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，可提高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，提高植種子的發(fā)芽率，降低霉爛率，促進種子的生長，提高植物生長速度。據資料介紹，超聲波可使某些植物種子生物生長速度。據資料介紹，超聲波可使某些植物種子生長速度提高長速度提高2323倍。倍。（8 8）電子血壓計）電子血壓計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；

34、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值時，二者的壓力達到平衡，此時壓電換之減小到某一數值時，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。電子血壓計由于電子血壓計由于取消了聽診器，可減輕醫(yī)務人員的勞動強度。取消了聽診器，可減輕醫(yī)務人員的勞動強度。 （9 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，

35、需要遠地控制；電視機，電風扇以及電燈等電器開關需要遙控，遠地控制；電視機，電風扇以及電燈等電器開關需要遙控，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，把聲信號轉變成電信號使開關動作。號使開關動作。 (10) (10)交通監(jiān)測交通監(jiān)測v現代交通，自動監(jiān)測車輛的通行和計數以便掌握車輛的運現代交通，自動監(jiān)測車輛的通行和計數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安裝一個收發(fā)兼用的超聲

36、換能器及其附屬設備，當車輛通過時就有一個聲脈沖返回，通過計數累計可備，當車輛通過時就有一個聲脈沖返回，通過計數累計可得到日行車輛的數量。得到日行車輛的數量。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。噪聲指數。 (11)(11)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10m10m以內的距離，精度以內的

37、距離，精度可達千分之幾?？蛇_千分之幾。(12)(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，由于壓力容器的內外壓差造成射流噪對于壓力系統(tǒng)，在泄漏處，由于壓力容器的內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)內安放聲。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。一般未泄漏時測到的信一個超聲源，然后從密閉系統(tǒng)外部接收。一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勢。號幅度極小或沒有，在泄漏處信號幅度有突然增大的趨勢。v氣體流量檢測也是化工中的重要手段之一。流量檢測目前有多種氣體流量檢

38、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)點是不妨礙流體的流動。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。 (13)(13)機器人成像信息采集機器人成像信息采集v智能機器人要實現在空間自由行走、辨認物體等功能，不僅要用智能機器人要實現在空間自由行走、辨認物體等功能，不僅要用超聲換能器測距導盲，而且要成像辨識。所以，需要小型的超聲超聲換能器測距導盲，而且要成像辨識。所以，需要小型的超聲換能器陣，以實現多種功能，這方面將成為一項重要的研究課題，換能器陣，以實現多種功能，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。吸引著眾多的科

39、學家為之奮斗。 5.5 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、低壓驅動、高頻、薄膜化、微型化、集成化。（1 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。在大功率換能器領域，在許多場合需要大功率的換能器。在大功率換能器領域，鈮鎂酸鉛鈮鎂酸鉛(PMN)(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。PMNPMN的優(yōu)點是的優(yōu)點是在中度的電場中就可以產生大的應變，遲滯小。但電致伸縮在中度的電場中就可以產生大的應變，遲滯小。但電致伸縮效應是非線性的，相應的物理常數取決于溫度

40、和頻率，且需效應是非線性的，相應的物理常數取決于溫度和頻率，且需直流偏壓，這就需要研究如何處理這些問題。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求。能器，在功率容量、效率、輻射面積和指向性方面都有要求。大功率換能器有望在礦藏勘探和鉆井上得到應用。大功率換能器有望在礦藏勘探和鉆井上得到應用。（2 2）低壓驅動換能器）低壓驅動換能器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生大的振幅。鋯鈦酸鉛

41、振幅。鋯鈦酸鉛(PZT)(PZT)是廣泛應用的電聲轉化材料。在是廣泛應用的電聲轉化材料。在20 20 kHzkHz時，時，PZTPZT在在400kV/m400kV/m的電場中，在共振條件下產生的的電場中，在共振條件下產生的振幅要達到微米級，需振幅要達到微米級，需2000V2000V的電壓，的電壓，5mm5mm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動。減小多層陷。此時，大振幅的超聲頻率必須用低壓驅動。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

42、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 3）高頻換能器）高頻換能器v頻率大于頻率大于1520MHz1520MHz的的B B超在醫(yī)療上的應用已有十幾年了超在醫(yī)療上的應用已有十幾年了，高頻超，高頻超聲應用范圍的增加促進了一些領域的迅速發(fā)展。目前已經制成高達聲應用范圍的增加促進了一些領域的迅速發(fā)展。目前已經制成高達100MHz100MHz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、質量輕、能耗低、無需調整等優(yōu)點以其體積小、質量輕、能耗低、無需調整等優(yōu)點被廣泛用于電視機

43、、錄相機、自動化電子裝置、通信設備、復印機、被廣泛用于電視機、錄相機、自動化電子裝置、通信設備、復印機、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。隨著電子技術的發(fā)展，需要越來越大。國內僅電視機、遙控器、音響、計算機等電子設備需要越來越大。國內僅電視機、遙控器、音響、計算機等電子設備年應用量約年應用量約1010億只，而國內僅有極少數幾家生產億只，而國內僅有極少數幾家生產13MHz13MHz以下器件，以下器件，產量約產量約3 3億只，供需矛盾突出，尤其是億只，供需矛盾突出，尤其是13MHz13MHz以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