新技术，新材料之压电陶瓷片（一) 疫情之下，不仅口罩机急缺它，这10大应用市场几乎都离不开它
新技术，新材料之压电陶瓷片（一)
------疫情之下，不仅口罩机急缺它，这10大应用市场几乎都离不开它
[导读] 压电陶瓷是电子功能陶瓷中的一大类材料，它的基本特性是能进行电能与机械能的相互转换，可制成无线电元件、电声元件、超声换能元件、引燃引爆元件等，具有十分广泛的应用领域。
中国粉体网讯 据中国粉体网记者的了解，近期有多家企业紧急投产口罩机，随之带来的是口罩机关键原材料和配件的需求增加，上游的零部件供应紧张，价格亦随之上涨。据悉，超声波电源、超声波换能器、焊头被称为口罩机的三大件，由于超声波换能器的主要元件——压电陶瓷片紧缺，换能器随之涨价。据悉，部分超声波焊接部件的价格甚至比平时贵了7倍。
（图片来源：网络）
压电陶瓷是电子功能陶瓷中的一大类材料，它的基本特性是能进行电能与机械能的相互转换，可制成无线电元件、电声元件、超声换能元件、引燃引爆元件等，具有十分广泛的应用领域。
常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3）O3和Pb(Co1/3Nb2/3）O3等组成的三元系。如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。以下是压电陶瓷的部分用途及市场情况。
1、电声换能器
电声换能器主要用于各类报警器、骨传导送话器、受话器、压电喇叭等。报警器可用于各类家电的报警、烟雾报警、汽车防盗报警、消防、个人安全报警等；骨传导送话器是将人说话时耳骨的振动的语音信号转换成电信号，从而将语音信号传输到接收端的新一代抗噪声送话器，目前日本已有该类蓝牙耳机；压电受话器及喇叭具有超薄、低功耗等特性。
用于一般报警器的电声换能器还没替代产品，还是具有很大的市场，而高声压报警器在特殊环境的报警将有较大增量；随着手提终端向超薄及低功耗发展，压电受话器及喇叭将成为手提终端的的选择，具有很好的市场前景。
2、超声换能器
超声换能器适用于超声马达、超声雾化、声波雷达、超声波清洗、超声焊接、超声美容、超声加工、超声育种、遥测遥控、交通监测、测距、检漏、流量及热量检测、机器人成像信息采集等。超声波换能器目前无替代产品，其应用市场正在稳固发展。目前需求大增的口罩机中，超声波换能器就是其急缺的部件。
（图片来源：网络）
3、压电水声换能器
水声换能器在军事方面和民用领域都有广泛的应用，对尤其是海洋石油勘探方面的海底资源探索十分重要。许多国家都在对民用水声设备进行大力研发，目的是使海洋开发事业的发展进程加快。目前，应用广泛的一种水声换能器是压电水声换能器，它的原理是利用压电效应实现电信号与水声信号的相互转换。
压电水声换能器分为接收型和发射型，前者先将声能向机械能进行转换，再将机械能转换为电能；后者先把电能转换成机械能，再向声能进行转换。而实际应用中经常兼有两种功能。压电陶瓷用于完成水声信号的接收和发射，其材料性能很大程度上决定了压电水声换能器的器件性能。因此，高性能的收发兼用的压电陶瓷振子的研发不仅对加强我国海军的作战装备实力具有现实意义，而且对海洋资源的开发也具有积极意义。
4、压电减振系统
压电减振系统可分为被动减振与主动减振。被动减振是在压电陶瓷表面制备一层电阻膜，压电陶瓷将振动或噪声转换成电能，电流通过电阻膜转换成热能，热能通过导热器导出而起到减振及降噪的作用；主动减振是将压电陶瓷复合在需减振的物体上，将其振动波形转换成相应的电压信号，通过相位调整及放大加到耦合在振动件上的换能器做反向振动，从而抑制振动，达到减振的目的。这类应用目前应用不多，大部分还在试验阶段，如电脑降噪及一些军用装置需要的减振系统等，将有很好的市场前景。
5、压电致动元件
压电陶瓷致动元件分单片横向伸缩型、弯曲型、厚度叠层型、横向叠层型、管型、钹型等，广泛用于航空航天、共轨喷油器、高速智能阀门、纳米定位、精微加工、激光陀螺微位移补偿系统、变形镜的形变控制、硬盘驱动器(磁头定位)、光学仪器(光轴调整、焦点调整)、压电泵、针织提花系统、盲人阅读器等。
压电致动元件技术难度大，目前国际上只有少数公司能做，中国起步较晚，目前电脑提花针织机已大量应用压电致动元件，纳米定位平台及精微加工的微进给系统日趋成熟，国内的应用正在逐步形成，预计未来能够形成较大市场。
6、压电能量采集
压电发电毯（日本已将压电发电毯用于地铁显示牌的供电）、压电发电鞋（在鞋底放置压电能量采集装置，行走时发电，可用于电池充电及鞋体发热等）、肌肉发电（植入体内电子装置的供电）、混合动力及全电力汽车振动能量采集（既能提升减振效果，又能延长将采集的电能馈入电池节能）、海浪发电等。压电陶瓷能量采集器用于生物电子装置的电源，该项目已见报道，国内也有研究机构开始研究，这将使植入用电装置的病人免于换电池的痛苦；汽车振动能量的回收也将成为全电力及混合动力汽车不可缺少的部件；我国有很长的海岸线，海浪发电也将成为洁净且成本较低的新型能源。
7、压电引爆引燃元件
反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。现在煤气灶及打火机，也是利用压电陶瓷制成的，只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。引爆引燃元件目前还没更好的替代产品，应用市场稳中有升。
8、压电加速度传感器
压电加速度传感器作为测量工具，主要用在控制系统和检测系统，是一种小型的惯性传感器。加速度传感器随着微电子技术、传感器技术和计算机技术的出现和进步得到了飞快的发展。质量块施加在压电元件上的力随着传感器受振而变化，这个力的变化在被测对象的震动频率与传感器固有频率相差较大时与被测对象的加速度成正比。利用压电效应，传感器可以将这个力的变化转换为电荷信号，再经过放大、检测电路就可以将处理过的信号输出给指示仪表。
9、压电陶瓷变压器
机械能和电能之间的转换即为压电陶瓷变压器的原理。Rosen等人早在20世纪50年代就提出了Rosen型压电变压器，与传统的电磁变压器相比，具有体积小、输出波形好以及不引起电磁干扰等优点。它主要工作在谐振状态下，是纵向振动模式的典型。
10、片式压电陶瓷滤波器
片式压电陶瓷滤波器应用频率范围很宽，它和LC滤波器相比，具有稳定性较高和小型化等特点。二十世纪九十年代，出现了由输入输出电极和层叠的压电陶瓷薄片构成的多层压电陶瓷滤波器，该类型滤波器是利用多层陶瓷电容器的制造技术所研制。其内部电极沿与陶瓷层垂直的方向排列，相邻的电极被陶瓷层分开。当内电极组被施加电压时，由于逆压电效应，会在陶瓷内部产生振动并在电极组的输出部分产生信号输出。该器件具有小杂散输出和高频率等优点，并且能满足表贴的封装要求。重要的是，改变滤波器的频率不用改变陶瓷材料，只需改变多层陶瓷生瓷片的厚度即可。
关于压电陶瓷的制备
压电陶瓷的主要制备工序有：组成配料、预烧合成、粉体加工、成形、烧成、覆电极、PZT-JH型压电极化装置、ZJ-3/4/6型压电D33检测仪等。在压电陶瓷的生产中，每一道工序所用设备、工艺参数对终产品质量都有很大影响。
对粉体加工而言，合成料的粉碎颗粒度及其粒径分布范围对压电陶瓷产品的综合性能影响很大，通常，粉体粉碎粒径小、颗粒分布范围窄对压电陶瓷产品性能有利。
许多压电陶瓷超声换能产品，如超声波水声探测、超声波无损探伤、超声波焊接、超声波雾化等换能元件，大多采用干压成形，成形所用的压电陶瓷造粒粉体的填充性能对成形质量影响很大，理想的干压成形粉体是松装密度高、流动性好、得到的压制坯体和烧成瓷体都具有较高的体积密度。
参考来源：
郑阳：PZT基压电陶瓷的低温烧结及其应用，电子科技大学
蔡晓峰等：超声换能压电陶瓷粉体加工研究，佛山市中国科学院上海硅酸盐研究所陶瓷研发中心
2019-2025年压电陶瓷行业重点企业与投资前景预测，普华有策
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