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第46章 奇妙的压电陶瓷

什么是压电陶瓷呢?可以用生活中比较常见的压电打火机来说明它。压电打火机中用到两粒柱状压电陶瓷,当人们使用打火机时,弹簧力施到压电陶瓷上,就产生电荷,形成高电压。这种瞬间高压,通过电路中的间隙时,就会高压放电而发生电火花,从而点燃气瓶中的易燃气体(丁烷)。家庭中煤气灶点火,也常用压电点火。这种压力所产生的电压很高,例如500千克/平方厘米的压力,可形成5~15千伏/厘米的电压。

这种能在压力作用下产生电荷的陶瓷,称为压电陶瓷。压力产生电荷的效应,称正压电效应。而反过来,施加电讯号,陶瓷中也会产生机械振动,称之为逆压电效应。因此压电陶瓷可做成换能器,通过它可以把机械能变成电能,也可把电能变成机械能。为什么向压电陶瓷施加压力就能产生电?因为当无外力作用时,材料内的正负电荷中心是重合的,正负抵消,故材料整体不显带电。但当施加压力时,材料会发生形变,使正负电荷中心不重叠,从而引起材料表面带电:一面带正电,另一面带负电。

利用上述的压电效应,可开发很多应用。前述的压电点火,还可用作引信引爆。作战中反坦克火箭中,希望弹头一碰到坦克钢板就立刻爆炸,而不应该落地后再爆炸(但通常的引信常延时爆炸)。利用压电引信可瞬间爆炸。在珍宝岛战役中,40火箭筒中就应用了压电激发装置及压电引信,40火箭筒曾大批生产,为保卫边疆立下了汗马功劳。民用方而,我国的压电打火机产量已压倒日本,居世界前列。

在火气中,人们依靠无线电波(雷达)进行通讯,然而在水下或地层中,无线电波的波长较短,频率较高,易被吸收而衰减,故无法使用。而声波或超声波的频率较低,波长也较长,因此衰减比较少,可传播很远。利用压电陶瓷做的声纳系统用于水下侦察,好比千里眼、顺风耳:当发出声讯号,接收回波,就可判断目标的远近和方位,能进行水下通讯、导航、侦察、探雷等功能。在海岸安装声纳阵列,就可了解水下敌情,使广大海域内的水下动静了如指掌。早些年,我国渤海渔民曾发现海面上有漂浮电缆,后来才知道是敌方潜艇进入了我海域。当我海岸安装了声纳站后,敌潜艇再也不敢闯进我领海了。压电陶瓷做的渔探器,可探测水下鱼群,知道是带鱼还是黄鱼,指导渔民有效捕鱼。压电测深仪可测水深,测地震仪可了解远处地震情况。建造大桥或巨型建筑物常常要耗费巨资,利用压电传感器可以监视它的“健康”情况,并将数据传入远程电脑,做到大桥或大厦有险情时可以“呼救”。测漏仪可检查地下水管泄漏地点。石油勘探中,测井仪可了解地下含油层的位置。我们要看电视,就要用到超声遥控器,它具有控制、开关、选频道、变化音量等功能。压电陶瓷做的超声波探头,可发射声波进入人体,接收回波后,可在屏幕上看到软组织图像(肝、心脏、胎儿等)。还可做成血压计、心音计、脉象仪等。稿子写好后要打印,就要用到喷墨打印机。这是利用打印的电讯号脉冲,施加到墨水容器的压电陶瓷片上,使压电片尺寸变化,引起容器体积收缩,从而喷出墨点。

压电陶瓷还可做成话筒,在人讲话的声压作用下,陶瓷内会产生与人声音相对应的电讯号而传输出去。压电元件配上电路,可成为蜂鸣器或电子乐器,产生优美动听的声音。蜂鸣器应用面非常广,产量极其巨大(以数十亿件计),如电子门铃、新年音乐贺卡等,它可以发送音乐及某些设备中的声讯号。最近发展的声音合成器件,工作电压很低,如2.8伏可产生100分贝声压,功耗低,对磁卡无影响,音质优良。可用于对讲机、电子翻译机、立体声系统及手提音频装置。压电陶瓷元件植入人耳,将可能使聋人听到声音,这是上海硅酸盐所和华山医院正在进行的合作科研项目。

人们知道所谓马达就是能将电压输入而产生机械转动的机器。压电陶瓷在电场作用下,可产生机械伸缩,只要通过机械转换,就能使这种伸缩转换成转动或直线移动,这就是压电马达,又称驱动器。它比普通马达具有更多优点:响应快、转矩大、低噪音、易和电脑接口配接实现智能化,利用电池电压就可动作。因此发展了许多应用:照相机自动调节焦距,军用望远镜调焦,高速磁浮列车,微型医疗设备(如三维手术刀,它可使创口大为减小),汽车自动控制,导弹自动瞄准,导弹飞行时偏角的控制等。据了解,美军方花费了巨大力量研制所谓灵巧子弹,以达到百发百中。此外登陆火星的机器人的手关节也使用上了压电驱动器。

压电陶瓷制造的压电陀螺仪是自动控制系统中的基本元件,能抑制飞行器的横滚振动,保持飞行平稳,波音747等飞机均用过。又例如舰船上的跟踪雷达天线常因海上风浪而摇晃,使跟踪失灵而丢失目标,压电陀螺仪就可以克服这类摇晃的影响,提高各类飞行器(飞机、导弹、鱼雷、大炮)的稳定性,对跟踪的准确性起到决定作用。

压电陶瓷可制成变压器,现代人们广泛应用掌上电脑、手提电脑、数字摄像机等,均希望它们小而轻。

这些设备中均用到液晶显示屏,其背景光源的照明电压达到1000伏或500伏(启动电压及维持电压),要用高压变压器,但普通变压器尺寸既大且重,压电变压器就可满足要求。它还可用于高压电棒、高压防盗、空气清新、臭氧消毒及复印机中的高压。目前压电变压器的世界年产值已达数十亿元。

压电滤波器是利用压电陶瓷的谐振效应,多用于通讯电路中。它只允许一定频段的电波通过,而其余频段的电波则不能通过、或完全被吸收。现代通讯电路中缺少它就无法工作,调频及调幅收音机、电视、彩电中均离不开它。

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