你見過這樣的電路板嗎？——壓電陶瓷電路板

壓電陶瓷，一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。這是一種具有壓電效應的材料。它在工業(yè)生產和日常生活中得到了廣泛的應用。由壓電陶瓷構成的超高精度、低能耗、控制簡便的驅動器 ,在精密工程中起到了非常重要的作用。

壓電效應的原理可分為正壓電效應和逆壓電效應：

瓷片壓縮，極化強度變小，釋放部分吸附自由電荷，出現放電現象。外力撤除，瓷片回復原狀，極化強度變大，吸附一些自由電荷，出現充電現象。這種由機械能轉變?yōu)殡娔艿?/span>現象，稱為正壓電效應。

正壓電效應示意圖

反之，在瓷片上施加與極化方向相同電場。極化強度增大，瓷片發(fā)生伸長或者縮短形變。這種由電能轉變?yōu)闄C械能的現象，稱為逆壓電效應。

逆壓電效應示意圖

而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產生高頻聲信號（機械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能，這種相互對應的關系確實非常有意思。正是因為這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用。例如，壓電材料已被用來制作智能結構，此類結構除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應性和自修復性等功能，在未來的飛行器設計中占有重要的地位。目前應用最廣泛的壓電陶瓷材料是以鋯鈦酸鉛(PZT)為基，通過用B位離子M92+、Nb5+、Ta5+進行單獨或復合取代，形成ABO3結構的復合鈣鈦礦型的固溶體類陶瓷材料。

國內對壓電陶瓷材料的研究開始于五十年代末期，比國外晚了十年左右。經過幾十年的努力，我國的壓電陶瓷有了很大發(fā)展。21世紀初葉，低溫壓電陶瓷的改進對于壓電陶瓷廣泛用于電子技術領域起了巨大的推動作用。然而，由于壓電陶瓷硬度高、脆性大、難于加工。因此結構復雜的壓電陶瓷體的制造一直是一大難題。清華大學材料系新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室GuoDongt利用凝膠注模成型(gelcasting)制備PZT壓電陶瓷，解決了壓電陶瓷制備中亟待解決的問題。同時低溫燒結壓電陶瓷也抑制了燒結滲銀過程中銀離子向陶瓷內部進行擴散。我們知道，陶瓷屬于絕緣介質，只有經過極化后的陶瓷才有壓電性。但是陶瓷不能象金屬那樣被直接極化，必須先被金屬化。

壓電陶瓷是絕緣體，必須在陶瓷元件工作部位的表面上涂覆一層具有高導電率、結合牢固的金屬作為電極(一般為銀電極)。電極的作用有兩方面：一是在強絕緣體表面附著的金屬電極承受高壓電場，以利于充分極化；二是在陶瓷元件表面聚集電荷和傳遞電荷。斯利通專注于各種新型陶瓷材料的金屬化領域，通過大量的研發(fā)和試驗，最終研究出一種新型薄膜生產工藝取代傳統(tǒng)披銀工藝，既節(jié)省了成本（用金屬銅層取代銀層），同時具備直接制作導通線路圖形的能力。壓電陶瓷在覆銅前需要保證表面光潔度，不能有油污類污染，需用特殊藥水對其表面進行清潔，不可采用常規(guī)堿性溶液處理表面臟污。鍍膜時瓷片需要平鋪在爐體底部，偏壓調試到合適值，以免產生擊裂。鈦層控制在200NM左右，銅層控制在300UM左右，鍍膜之后需要立即進行一次銅，將表面疏松的銅層保護起來，如需制作出條狀銅線路，需要進行線路轉移，制作出相應的線路層后進行二次鍍銅。完成后使用藥水將表面干膜層去除掉，這里不可以使用堿性溶液，因為瓷片一般是單面敷銅，背面浸泡在堿性溶液過久會溶解或更加脆化，以致于粉碎。去除掉干膜后，表面使用純水清洗干凈，吸干水分烘干即可得到成品。

近年來，PZT壓電陶瓷在以下方面得到了廣泛的應用：

高位移新型壓電致動器

01

自從發(fā)明壓電致動器特別是多層壓電致動器以來，其應用日益擴大，特別是精密定位方面?，F在多層壓電致動器在國外已經大量地應用于汽車的燃料注入系統(tǒng)和懸置系統(tǒng)。

壓電變壓器壓電變壓器

02

從50年代就己開始研制，但是直到90年代才進入商品化，獲得成功的應用。壓電陶瓷變壓器體積小，質量輕，可以做成扁平形狀，它實際上沒有電磁噪聲，只產生有限的熱，而轉換效率高達95％，所以90年代隨著薄形電源以及高頻(大于2 MHz)開關電源對壓電變壓器迫切要求，對壓電變壓器的研制又重新活躍起來。現在己研制成多層壓電變壓器，最大功率已超過50 W，并且己大量地應用在筆記本式計算機液晶顯示器的背光電源以及復印機和傳真機的高壓電源。

用于主動減震和降噪的壓電器件

03

許多機械結構往往會發(fā)生振動，由此又常常會引發(fā)噪聲，對運動結構的減振降噪控制(如運行的機械、潛艇殼體、航空航天飛行器以及艙內)，具有重要的意義。特別是大型精密的航空航天的撓性結構，一般質量輕，阻尼小，一旦發(fā)生振動，其衰減過程十分緩慢；長期如此便會影響到結構運行的精度，甚至會引發(fā)結構疲勞、失穩(wěn)等現象，因此對撓性結構的減振研究是十分必要的。傳統(tǒng)的被動減振降噪方法是通過增加質量、阻尼、剛度、或者是通過結構的重新設計而改變系統(tǒng)的特性。壓電材料自身具有的正反壓電效應，使其成為撓性結構主動分布控制中檢測器與執(zhí)行器的理想材料。

醫(yī)用微型壓電陶瓷傳感器

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美國密蘇里一羅拉大學陶瓷工程系的W．Huebner教授研制出一種微型電壓陶瓷傳感器，它比人的頭發(fā)還要細小，可以將它用來幫助醫(yī)生探測病人的心臟附近，如冠狀動脈，具有潛在致命危險的膽固醇的累積情況，使用時，將這種十分細小的傳感器插入動脈血管并通過微細光纜輸送到心臟部位，用來診斷有生命危險的膽固醇堵塞部位的位置和厚度，為在血管內采用激光外科手術將其清除鋪平道路。

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