压电陶瓷范文1

黄河科技学院信息工程学院河南郑州450006

摘要院采用传统的固相法和普通的烧结方法，制备了不同比例的ZnO 掺杂的(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3 无铅压电陶瓷，通过改变烧结温度的高低，研究ZnO 掺杂对锑酸钾钠基压电陶瓷的压电常数、介电常数和介电损耗的影响，从而获取**的掺杂比例和烧结温度。研究表明：当ZnO 的掺杂量x<2.00mol%时，压电陶瓷的压电常数和介电常数均呈上升趋势，介电损耗呈下降趋势。当ZnO 的掺杂量x>2.00mol%时，压电陶瓷的压电常数和介电常数均呈下降趋势，介电损耗成上升趋势。压电常数d33、介电常数着r、介电损耗tan啄通过测定得到如下结论：当烧结温度T=1080益，掺杂x=2.00mol%时，压电陶瓷的压电系数和介电常数达到最好，其中压电常数d33 为77pC/N、介电常数着r为273.58、介电损耗tan啄为2.98%。

关键词 院无铅压电陶瓷；烧结温度；固相法；ZnO 掺杂

1 概述

压电陶瓷已在能源开发、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等方面有广泛应用[1]。由于铅基压电陶瓷PZT 具有优良的压电性能，从而得到广泛的应用，但是此类压电材料中含有60%以上的有毒物质铅，在压电陶瓷的生产、使用和废弃处理过程中挥发的铅都会对生态环境和人们的健康造成不可估量的伤害，因此人们迫切期盼无铅压电时代的到来[2]。无铅压电陶瓷是指不含铅的压电陶瓷，其更深层含义是指既具有较好的使用性又有良好的环境协调性的压电陶瓷。目前，无铅压电陶瓷可以分为：BNT 基无铅压电陶瓷、KNN 系无铅压电陶瓷、BZT系无铅压电陶瓷，其中KNN 压电陶瓷因为具有优良的压电性能和机械性能，被认为是最具有可能替代PZT 的无铅压电材料。

然而阻碍KNN 压电陶瓷发展的主要问题是传统的方法无法烧结出致密的陶瓷体，大大影响了压电和机械性能，本文选择能够有效降低烧结温度的ZnO 作为掺杂对象。本文采用传统陶瓷工艺制备无铅压电陶瓷，详细探讨了不同比例ZnO 掺杂对KNN 陶瓷烧结特性，包括对显微结构以及电学性能等的影响。

2 实验过程

采用传统的固相法[3,4]制备了(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3-xZnO 压电陶瓷(x = 1.00、1.50、2.00、3.00)。首先，按配比称量分析纯原料：K2CO3、Na2CO3、Li2O3、Nb2O5、Sb2O3、Ta2O5、ZnO、无水乙醇。将原料放入烘箱中在85益干燥2~3h，充分去除水分后迅速放入干燥器皿中冷却至室温。将各原料按照化学式(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3 配比进行配料，然后装入研磨罐中，研磨介质为φ2mm 的锆球进行研磨，以无水乙醇为媒介，用行星式球磨机球磨3~4h，取出烘干，在750益保温2h 完成预烧；再将粉料充分研磨，过筛，加入质量分数为10豫左右的PVA 进行造粒；在5MP 压力下压制成直径15mm，厚l.5mm 的圆片，并分别在1060益、1080益、1095益、1100益保温2h 进行烧结，得到致密的陶瓷片。将陶瓷片的厚度控制在1.00mm 左右，进行磨平。将磨好的陶瓷片均匀的涂上银浆，在750益烧结陶瓷获得被上电极的陶瓷样品，并在90益的硅油中极化，极化电压3耀4kV/mm[5]，极化时间30min，放置1 小时左右，进行测量其相关的性能。用JSM-5900LV型扫描电子显微镜(SEM[6])对样品表面进行观察研究；采用准静态d33测量仪(ZJ-3AN 型[7])测量压电常数d33，用LCR 电桥测试仪（YB2811型）测量损耗。

3 结论分析与讨论

3.1 显微结构分析

由SEM 图可以看出压电陶瓷，在掺杂量相同(x=2.00mol%)，烧结温度不同的情况下（1060益、1080益、1095益、1100益）同种陶瓷样品放大10000 倍后的表面形貌图如图1 所示。由图1(a)可以看出，温度在1060益时，陶瓷表面有明显的孔洞，颗粒表面比较粗糙，致密度较差。从图1(a)、(b)、(c)、(d)可以看出，随着温度的升高致密度呈现先升高后降低的趋势，陶瓷表面的孔洞也呈现先减少后增加的趋势。一般而言，陶瓷晶粒大小会随着烧结温度的升高而增大，但是从陶瓷样品的表面SEM 图可以看出，陶瓷晶粒的大小并未发生太大的变化，这可能是由于掺杂的ZnO 抑制了陶瓷晶粒的长大，在温度T=1100益时，陶瓷表面出现大量的孔洞，这可能是晶体出现液化的原因。

3.2 压电性能分析

图2 为室温下测量的无铅压电陶瓷压电常数随着ZnO 掺杂比例的变化曲线图。由图2 可以看出，随着掺杂量的增加，压电陶瓷的压电常数呈现先增加后降低的趋势。这可能是由于ZnO 在一定程度上抑制了陶瓷晶粒的长大，从而使压电常数也随之增加；但当烧结温度超过一定范围时，ZnO 的抑制作用降低，使晶粒继续增大并出现液化的现象，从而造成压电常数的降低。当T=1080益，x=2.00mol%时，压电常数达到最(d33=77pC/N)。

3.3 介电性能分析

图3 为室温下测量的无铅压电陶瓷介电常数和介电损耗随着掺杂量的变化曲线图。由图3(a)可以看出，随着掺杂量的增加，压电陶瓷的介电常数整体呈现先上升后下降的趋势。当T=1080益，x=2.00mol%时，压电陶瓷的介电常数达到最大（着r=273.58）；这说明随着陶瓷体致密度的增加压电陶瓷的介电常数也会增加。反之介电常数也会降低。同时由图3(b)可以看出，压电陶瓷的介电损耗呈现先降低后增加的趋势。同时，当T =1080益，x=2.00mol%时，介电损耗也达到最小（tan啄=2.98%）。压电陶瓷的介电损耗与陶瓷体的致密度有关，也与微观结构和显微形貌有关，晶粒排列紧密，晶界对电畴的夹持效应小，电畴转向过程中耗能少，介电损耗就会变小，反之介电损耗就会增加。

4 结论

采用传统固相法陶瓷工艺制备了(Na0.48K0.48Li0.04)(Nb0.86Ta0.1Sb0.04)O3无铅压电陶瓷；用SEM 观测了样品的表面具体（10滋m）形貌，并且测量了相关的压电和介电性能。研究结果表明：

淤在ZnO 的掺杂比例一定时，随着温度的升高，陶瓷的压电常数呈现先升高后下降的趋势，当T=1080益，x=2.00mol%时，压电常数到达最大（d33=77pC/N）。这是由于ZnO 在一定程度上抑制了晶粒的长大，从而使陶瓷的压电常数也随之增加；但当温度超过一定的范围时，ZnO 的抑制作用降低，而使晶粒继续增大，从而造成压电常数的降低。

于通过改变ZnO 的掺杂量，也使压电陶瓷的介电常数整体呈现先上升后下降的趋势，当T=1080益，x=2.00 时，压电陶瓷的介电常数达到最大（着r=273.58）。这是由于随着陶瓷体致密度的增加压电陶瓷的介电常数也会增加。反之介电常数也会降低。

盂ZnO 的添加一定程度上改善了陶瓷的介电损耗，介电损耗整体呈现先降低后升高的趋势，当T=1080益，x=2.00 时，介电损耗达到最小（tan啄=2.98%）。这是由于压电陶瓷的介电损耗与陶瓷体的致密度有关，同时也与微观结构和显微形貌有关，晶粒排列紧密，晶界对电畴的夹持效应小，电畴转向过程中耗能少，介电损耗就会变小，反之介电损耗就会增加。

参考文献：

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[2]郭汝丽,方亮,周焕福等.低温烧结ZnO 压敏陶瓷研究进展[J].电子元件与材料,2011,30(10):80-82.

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压电陶瓷范文2

关键词： 压电陶瓷； 电容传感器； 扩展卡尔曼滤波（EKF）； 容错控制

中图分类号： TN820.3?34 ；TP273+.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0152?04

Fault tolerance control of capacitance transducer in

piezoelectric ceramic positioning system

GUO Jia?liang， LI Peng?zhi， LI Pei?yue

（State Key Laboratory of Applied Optics， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， CAS， Changchun 130033， China）

Abstract： As the failure of capacitance transducer has a big impact on tracking accuracy of the piezoelectric ceramic positioning system， the methodology of using extended Kalman filter （EKF） to implement the fault tolerance control is investigated in this paper. Aiming at the sampling circuit failure and the power failure of the transducer， an EKF filtering formula of capacitance transducer under three?order trajectory planning algorithm is analysed. The method that the discrete iterative EKF algorithm is taken to replace the traditional method is introduced. Positioning control experiment is performed with the benchmark of the laser interferometer. The results indicate that the proposed method can achieve 0.7% maximum tracking errors， with the deviation of ±3.5 μm， in a stroke of 500 μm. The experimental results indicate that the fault tolerance control method based on EKF can the control error caused by transducer fault and increase the robustness of the piezoelectric ceramic positioning system.

Keywords： piezoelectric ceramic； capacitance transducer； extended Kalman filter； fault tolerance control

0 引 言

压电陶瓷定位系统通常是由压电陶瓷执行器作为驱动器及电容传感器作为位移传感器而构成的闭环定位系统[1]。由于压电陶瓷定位系统具有高精度和高速度的特性，被广泛地应用于光刻物镜调节机构和干涉仪移相器等领域[2?3]。当这种闭环控制的反馈信号惟一依赖于电容传感器测量值时，如果电容传感器产生在线故障，未经过处理的故障信号会增大系统稳态误差，严重时会造成系统不稳定[4?5]。

卡尔曼滤波是一种使用递归方法解决线性滤波问题的最优估计算法，可有效过滤掉随机干扰，准确地恢复出原始信号[6]，在组合导航系统中，基于自适应卡尔曼滤波器的信息融合方法，可以有效增加系统的定位精度及鲁棒性[7]；在多机器人协同控制中，扩展卡尔曼滤波（EKF）可以有效解决定位控制中非线性模型的预测问题[8]；由于不需要对非线性系统的状态方程和观测方程进行线性化，并且不需要计算状态转移矩阵的雅可比矩阵，无迹卡尔曼滤波（UKF）在飞行器轨迹跟踪领域也有广泛应用[9]；近年来，EKF在控制系统传感器故障容错控制领域得到广泛应用，EKF是针对经典卡尔曼滤波方法的非线性化推广，在永磁同步电机控制系统中，EKF可以根据电机的先验状态参数准确估计当前转子位置，实现无传感器电机控制[10]或者故障诊断[5]；在发动机故障诊断和容错控制中EKF的应用也取得了一定的进展[11]。

本文首先对压电陶瓷定位系统电容传感器典型故障进行分析；其次，针对三阶轨迹规划算法，将位移轨迹作为被估计的过程，通过对被估计过程EKF滤波公式的分析，提出一种基于离散迭代的EKF算法以替代传统非线性系统近似线性化的方法；最后，通过实验对基于EKF的容错控制方法的效果进行了验证，结果表明该方法行之有效。

1 问题描述

光刻物镜可调机构的压电陶瓷定位系统如图1所示，控制算法通过PC机端的Matlab/Simulink设计完成之后，通过RTW下载至目标机的xPC Target实时内核，目标机内置有NI公司的PCI?6229数据采集卡，xPC Target通过PCI?6229的D/A通道向驱动控制箱发送控制指令，驱动控制箱根据指令驱动压电陶瓷执行器，并将读回的电容传感器测量数值传送至PCI?6229的A/D通道，反馈给xPC Target。

如图1所示，xPC Target目标机与驱动控制箱之间采用模拟信号连接，电容传感器与驱动控制箱之间也采用模拟信号连接，相比于其他链路，这些模拟通道出现故障的概率更大。图2是模拟通道典型故障的反馈值，在0.6～0.8 s之间电容传感器第8个数据位出现故障、在1 s之后电容传感器出现掉电故障。可见，故障时位移测量值与实际值出现较大偏差。因此，在将这些包括不准确值的测量值反馈至控制器之前，对其进行必要的容错处理显得尤为重要。

图1 压电陶瓷定位系统

2 扩展卡尔曼滤波

将压电陶瓷定位系统的位移轨迹作为被估计的过程[X]，那么这个过程的状态变量[xk]即表示[k]时刻的位移值，对于文献[1]中应用于压电陶瓷定位系统的三阶轨迹规划算法，这个过程[X]的状态变量[xk]可以由以下离散差分方程描述：

[xk=xk-1+vk-1ts+ak-1t2s2+Jmt3s6] （1）

式中：[ts]为采样周期；[Jm]为最大冲击值常量；[ak-1，][vk-1，][xk-1]分别为[k-1]时刻加速度值、速度值、位移值。显然[ak，][vk，][xk]均为时变参数，可见被估计过程的[X]是一个离散的非线性过程。

图2 电容传感器故障时位移测量值

针对离散非线性过程，卡尔曼滤波变形为如下离散的扩展卡尔曼滤波公式[6]：

[xk/k-1=xk-1+f（xk-1）?Ts] （2）

[Pkk-1=Φkk-1Pk-1Φkk-1T+Qk-1] （3）

[xk=xkk-1+Kk（yk-Hkxkk-1）] （4）

[Pk=Pkk-1-KkHkPkk-1] （5）

[Kk=Pkk-1HkT（HkPkk-1HkT+R）-1] （6）

在传统的扩展卡尔曼滤波中，公式（2）中的[f（?）]是由非线性函数经过泰勒级数展开，截去高阶项后得到的近似线性化函数。这种线性化的近似计算存在两个方面的缺陷：一方面，需要通过大量的在线仿真或实验才能获得精度和速度相对较好的滤波系数[5]；另一方面，随着递归算法的向前推移，泰勒级数高阶项权重可能不断增加，导致最终估计量误差较大[6]。

为解决以上问题，将公式（1）改写为公式（7）的形式：

[xk=xk-1+f（xk-1）ts] （7）

而公式（7）中的[f（?）]可以由公式（8）递推求得[1]，公式（8）中各参数意义与公式（1）相同：

[f（xk）=vk+akts2+Jmt2s6vk=vk-1+ak-1ts+Jmt2s2ak=ak-1+Jmts] （8）

由公式（7）和公式（8）可见，在将压电陶瓷定位系统的位移轨迹视作被估计过程[X]时，其扩展卡尔曼滤波公式（2）中的线性化函数[f（?）]同样可以由三阶轨迹规划的递推过程求得，避免了传统的将非线性系统线性化的复杂计算过程。

离散扩展卡尔曼滤波式（2）～式（6）中其余参数的含义说明如表1所示。

至此，在三阶轨迹规划算法下，压电陶瓷定位系统位移量的扩展卡尔曼滤波器可由图3表示，其中，状态预测对应公式（2），协方差预测对应公式（3），状态校正对应公式（4），协方差校正对应公式（5），增益更新对应公式（6）。

表1 离散扩展卡尔曼滤波器参数表

[参数＼&参数含义＼&[xk/k-1]＼&[k]时刻基于[k-1]时刻的预测估计＼&[xk-1]＼&[k-1]时刻的最优估计＼&[Ts]＼&采样周期＼&[Pkk-1]＼&[xk/k-1]的协方差＼&[Φkk-1]＼&转移矩阵＼&[Pk-1]＼&[xk-1]的协方差＼&[Qk-1]＼&过程噪声的协方差＼&[xk]＼&[k]时刻的最优估计＼&[Kk]＼&卡尔曼滤波增益＼&[yk]＼&观测变量＼&[Hk]＼&为观测增益＼&[Pk]＼&[xk]的协方差＼&[R]＼&观测噪声的协方差＼&]

图3 扩展卡尔曼滤波器

3 实验与分析

为了对如图1所示的压电陶瓷定位系统中位移的测量值和EKF估计值做出准确评价，实验过程中使用Renishaw公司的XL?80型激光测长干涉仪作为测量基准，搭建了如图4所示的实验平台。其中，执行器为Physik Instrumente公司的N?111型压电陶瓷驱动器，传感器为D?E30型电容传感器。

实验采用的控制方案如图5所示，其中，扩展卡尔曼滤波器将电容传感器信号滤波之后反馈至PID控制器，PID控制器根据此反馈信号和三阶轨迹规划的输出信号，对压电陶瓷执行器的控制量做出计算。

实验中EKF滤波公式各参数赋值如下：采样周期[Ts]与系统相同，为0.001 s；过程噪声与N?111型压电陶瓷执行器的定位精度相关，根据对N?111大量实验数据的统计分析结果，过程噪声方差[Qk-1]取值[5×10-4]；观测变量[yk]为电容传感器在线测量值，观测噪声与电容传感器精度相关，经过对D?E30型电容传感器大量实验数据的统计分析结果，观测噪声方差[R]取值为[2.5×10-4]；观测增益[Hk]取值为1，转移矩阵[Φkk-1]由算式[Φkk-1=I+f（tk-1）Ts]在线求得；EKF的初始条件为[x0=0，][P0=1]。

图4 压电陶瓷定位系统实验平台

图5 电容传感器容错控制方案

实验过程中，当电容传感器在0.6～0.8 s之间第8个数据位出现故障、在1 s之后出现掉电故障，干涉仪测量值与EKF的估计值结果如图6所示，EKF估计值误差的绝对值如图7所示。

图6 干涉仪测量值与EKF估计值

图7 EKF估计值误差绝对值

由图6和图7的实验结果可知，当电容传感器出现故障时，虽然EKF估计值的绝对误差和方差均有所增加，但绝对误差仍被控制在3.5 μm之内，相比于图2中未加EKF时的结果，滤波效果显著。对于压电陶瓷定位系统而言，EKF可以有效实现对电容传感器的容错控制。

4 结 语

本文将压电陶瓷定位系统位移轨迹作为被估计的过程，对其扩展卡尔曼滤波分析后，提出基于三阶轨迹规划离散迭代算法的扩展卡尔曼滤波方法，这种方法可以有效避免非线性系统近似线性化的截断误差，避免大量的寻优实验。实验结果表明所提出的EKF算法能够准确地估计出压电陶瓷定位系统的位移轨迹，实现了电容传感器容错控制，提高了控制系统的鲁棒性。

参考文献

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压电陶瓷范文3

关键词：压电陶瓷；乐器音调识别；压电效应

中图分类号：TM282 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）27-0016-06

在当今人类的生活中，乐器的普及范围越来越广，人们对乐器的需求越来越多，由此衍生出的新兴职业与科学技术也越来越多。为了满足人们对乐器音调及音色的识别需求，历史上出现了音叉工具，而随着科学技术水平的提高，各种各样的电子乐音音调辨别技术也在日趋发展。市面上销售的电子吉他校音器、智能手机软件中的歌曲录制及识别程序，其基本原理便是能准确识别录制或播放的乐音的音调，从而确定与库中的乐曲音调进行匹配；电音吉他中的拾音器、唱片播放设备的磁头等，也是通过电磁技术，将乐音的音调、音色等进行准确表达。

压电陶瓷作为一种能够将机械能和电能互相转换的陶瓷材料，其功能已经在扬声器、路面震动测量仪、脉搏测量、压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置等技术中得到广泛使用。利用其对振动的敏感特性，压电陶瓷在声学领域的应用也逐渐被发掘，例如蜂鸣器、声纳等，但国内对于压电陶瓷识别乐音这一应用方向的研究并不多。本研究将通过简单的方法，用吉他作为实验对象，对乐音识音的最基础部分——音调的频率识别进行实验，证明其可行性。

图1

1 背景

1.1 压电效应与压电陶瓷

压电效应是在一定条件下实现机械能与电能相互转化的现象。当某些材料受到机械力而产生拉伸或压缩时，其内部产生极化现象，使材料相对的两个表面出现等量异号电荷，外力越大，则表面电荷越多，这种效应一般称做正压电效应，表面电荷的符号视外力的方向而定。当在这些材料上加电场时，会产生机械形变，如果是交变电场，则会交替出现伸长或压缩，即发生机械振动。这种现象称之为逆压电效应。

压电陶瓷是人工制造的具有压电效应的多晶压电材料。

1.2 压电陶瓷在声音领域的应用

在音乐及音响领域中，压电陶瓷发挥着巨大的作用。声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探测仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的逆压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过逆压电效应把交流音频电信号转换为声音信号。

2 音阶波形采集及频率测定实验

2.1 实验原理

本实验利用压电陶瓷的正压电效应。使用安装在吉他共鸣箱中的压电陶瓷，在弹奏者拨弦发出C大调音阶中从中央C到B（含B）的七个音，用示波器测出压电陶瓷发出的电信号的波形，并通过示波器测出每个音对应的频率，与国际通用标准音高频率转换表的音阶频率进行对照，通过对吻合程度及允许误差范围的分析，判断压电陶瓷是否可以实现识别常见乐器的乐音音调的功能。

2.2 实验装置

2.2.1 压电陶瓷及导线。本实验使用了长度约2cm、宽度约0.7cm的PZT5H压电陶瓷片与4根细导线。压电陶瓷片分为三层，两面的白色外层为正极，中间层为负极。导线的其中两根约30cm，另外两根约70cm。

图2 本实验使用的压电陶瓷 图3 本实验使用的细导线

2.2.2 声源选取。本实验使用民谣吉他上的六根弦作为乐音的声源，弹奏者通过拨弦获得不同音调的乐音。所选取的声源已进行过精确的调音，能准确发出C大调音阶中从中央C到B（含B）的七个音。

图4 本实验使用的民谣吉他

2.2.3 装置安装。在压电陶瓷片的两极分别焊接两根长度约30cm的导线，用“哥俩好”胶水将压电陶瓷粘贴在吉他的共鸣箱的内部，使其与共鸣箱充分接触，等待一天左右，使胶水变干（选取共鸣箱采集声音的原因在于，若想用压电陶瓷片得到清晰的、可用于分析的波形，需要被采集的声音有一定的响度，共鸣箱利用了共振原理，使频率相同的声音相叠加，起到加强原声的效果）。

图5 共鸣箱内部 图6 压电陶瓷片

伸出的导线 与示波器相连

图7 吉他共鸣箱 图8 压电陶瓷片

内部的压电陶瓷 与示波器相连

将压电陶瓷上的两根30cm导线从共鸣器中延伸出来，分别焊接在两块小铁片上的一端，再将70cm的两根长导线分别焊接在两块小铁片的另一端，并与示波器相连（内部的两根导线与压电陶瓷相连，如果过长，在搬运吉他时易使其缠绕并脱落，一旦脱落，因压电陶瓷在共鸣箱内部，再焊难度极大，为防止该情况发生，本实验另用两根长导线延长了内部的两根导线）。

2.3 波形采集

2.3.1 采集波形概述。本实验采集了在一根弦上弹奏C大调音阶（CDEFGAB）时，示波器所显示的压电陶瓷电信号波形。实验时，每个音弹奏两次，每次弹奏后立刻将示波器定格。在采集电信号的波形的过程中，每个波形都呈现出了规律性即周期性，观察者选取一个周期记录频率数据

即可。

2.3.2 采集数据分析。以下图片及注解是吉他弹奏出大调音阶中的七个音时示波器所采集的波形。本实验中的每个音都弹奏了三次，每次弹奏亦测量了两个不同的周期，因此每次弹奏皆采集了两张波形图片。在本节中每个音仅展示两次弹奏的波形图片，每次一张图片。

每张波形图有两条纵向的黄线，即观察者选取的周期始末点。示波器的右上角的黄色第四行数据（1/Δt）即是这一周期的频率。

因选取周期时需用肉眼判断其周期性，对于无明显特征的波形，观察者易将周期的始末点选错，2.3.3节将介绍避免这种误差的辅助实验。

（1）C音调的波形图（2张）：

图9 图10

初步测得频率：520.8Hz

（2）D音调的波形图（2张数据不同的图，求平均值）：

图11 图12

初步测得频率：（568.2Hz+625Hz）/2=596.6Hz

（3）E音调的波形图（2张）：

图13 图14

初步测得频率：333.3Hz

（4）F音调波形图（2张）：

图15 图16

初步测得频率：357.1Hz

（5）G音调频率（2张）：

图17 图18

初步测得频率：384.6Hz

（6）A音调波形图（2张）：

图19 图20

初步测得频率：454.5Hz

（7）B音调波形图（2张）：

图21 图22

初步测得频率：500.0Hz

2.3.3 示波器辅助实验：利用快速傅里叶变换（FFT）功能测量电信号频率。

第一，关于FFT。傅里叶变换是一种线性的积分变换，其典型用途是将信号分解成振幅分量和频率分量。离散傅里叶变换（DFT）是傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式，将信号的时域采样变换为其DTFT的频域采样。快速傅里叶变换（FFT）是离散傅里叶变换的快速算法，也可用于计算离散傅里叶变换的逆变换。快速傅里叶变换有广泛的应用，如数字信号处理、计算大整数乘法、求解偏微分方程等等。

快速傅里叶变换是数字示波器的常见功能，它可以观察信号的频谱，是几乎所有数字示波器的标配工具。

本项试验将对吉他弹奏C大调音阶中的七个音时的FFT图像进行定格采集。

采用快速傅里叶变换分析音乐信号的音阶频率，由于其谱线所表示的频率点是等间隔分布的，与音乐信号音阶频率分布规律不一致，因此在FFT在某些音阶频率上会产生估计误差。

进行本项实验，并非为直接得到准确频率，而是为了粗略确定所测七个音的频率所在范围，排除上一实验因周期始末点选取错误而导致的频率测量结果翻倍的情况。

第二，FFT图像分析。在以下图像中，红线所显示的就是压电陶瓷片所发出的电信号的频谱，图像中的纵向虚线可视作从左至右以50Hz为单位的划分线。FFT测量方法受到“栏栅效应”的影响：理想的傅里叶变换要求时域信号是无限长的，而在实际的测量中，FFT只能对有限长度的采样信号进行变换，这相当于对无限长的信号进行了截断，因此这种测量方法会受到电网谐波的干扰，即图像中与50Hz成倍数的频率都会有较大波动，在观察时需忽略与50Hz成倍数的红线波动情况，寻找其余峰值中最高峰值对应的频率（箭头指向处即为波动峰值对应频率，杂音对应频率也会有轻微波动）。

图23 示波器的FFT频谱

（1）C音调FFT图像：

图24

峰值对应频率：250～270Hz （450～500Hz）

注：中央C音调的图像在250～270Hz与450～500Hz均有较大波动，但高八度的C音调只在450～500Hz有较大波动，因此判断中央C音调的频率在250～270Hz之间（下图是高八度C音调的FFT图像）。

图25

（2）D音调FFT图像：

图26

峰值对应频率：270～320Hz

（3）E音调FFT图像：

图27

峰值对应频率：320～350Hz

（4）F音调FFT图像：

图28

峰值对应频率：无明显现象

（5）G音调FFT图像：

图29

峰值对应频率：375～400Hz

（6）A音调FFT图像：

图30

峰值对应频率：425～450Hz

（7）B音调FFT图像：

图31

峰值对应频率：470～500Hz

2.3.4 两组数据综合分析与对比。至此，本实验已经用两种方法完成了对压电陶瓷片发出的电信号的频率测定。下面将两次实验的数据进行对比（单位：Hz）。

表1

音调 波形分析频率 FFT频率

C 520.8 250～270

D 596.6 270～300

E 333.3 320～340

F 357.1 无明显频率

G 384.6 375～400

A 434.5 425～450

B 500.0 470～500

根据表1的数据可发现，D音调的波形分析频率与FFT频率有出入，因此初步推断D音调在波形分析的周期始末点选择上存在问题，即选取了半个周期作为一个周期，使分析频率变成原始频率的两倍，若将D音调的现有波形分析频率数值减半，则其频率约为298.3Hz，在FFT频率范围内，应为正确测得频率。

2.3.5 比较实验测得频率与国际标准音高频率转换表中对应音调的频率（单位：Hz）。

根据对比表2中的两排数据可以得出，所有测得的频率与标准频率的误差都在10Hz以内。经过分析，误差原因在于，示波器无法完全精确地选取波形周期始末点，因此在计算频率时会存在与压电陶瓷片实际震动频率间的误差。

2.3.6 误差是否在允许范围内的分析。常见乐器能够发出的所有乐音的音调频率并非连续的，每两个相邻音音调之间存在一定频率差。为了能够在今后应用中，让常见乐器发出的声音，都可被压电陶瓷所发出的电信号频率反映，并使人类、计算机或电子设备所识别，本论文将依照计算机算法的“就近原则”，即“选取与测得频率最相近的频率对应音调作为测得音调”原则，讨论该数据是否在允许误差的范围内。

表2

音调 测得频率 国际标准音高频率转换表频率

中央C 260.4 261.63

D 298.3 293.66

E 333.3 329.63

F 357.1 349.63

G 384.6 392.00

A 434.5 440.00

B 500.0 493.88

本节将以从中央C音到高八度C音间所有常见乐器能发出的乐音音调（十二平均律）标准频率作为讨论对象。当表2中七个待识别音调的测得频率在表3中最接近的标准频率为自身音调的标准频率时，则该音调可被准确识别（其他音区的情况与此基本相同）。表3是需要用到的标准频率数据（来源于标准音高频率转换表）。

表3

音调 标准频率

B（低八度） 246.94

中央C 261.63

升C（降D） 277.18

D 293.66

升D（降E） 311.13

E 329.63

F 349.23

升F（降G） 369.99

G 392.00

升G（降A） 415.30

A 440.00

升A（降B） 466.16

B 493.88

C（高八度） 523.25

对表2中的七个待识别音调的测得频率与表3中与其对应的音及相邻的两个音调的标准频率进行作差运算，并求出差的绝对值，离哪个标准频率的绝对值越小，说明离该音的频率越接近，则待识别音调将会被识别为该最近频率对应的音调。个4是经过Excel软件计算得出的差值绝对值（加粗的数据为测得的七个音的频率与对应音调标准频率和相邻音调标准频率中最接近的组）。

由表4可知，实验所测得的7个音调均能根据“就近原则”被准确地识别，且其频率与相邻音调的频率相差悬殊，即上述实验的实验误差完全在允许的范围内，压电陶瓷片识别常见乐器的音调是可行的。

表4

需识别音调音调名 对应及相邻音调音调名 对应及相邻音调标准频率（Hz） 实验测得频率（Hz） 差值绝对值（Hz）

B（低八度） 246.94 260.4 13.46

C 中央C 261.63 260.4 1.23

升C（降D） 277.18 260.4 16.78

升C（降D） 277.18 298.3 21.12

D D 293.66 298.3 4.64

升D（降E） 311.13 298.3 12.83

升D（降E） 311.13 333.3 22.17

E E 329.63 333.3 3.67

F 349.23 333.3 15.93

E 329.63 357.1 27.47

F F 349.23 357.1 7.87

升F（降G） 369.99 357.1 12.89

升F（降G） 369.99 384.6 14.61

G G 392 384.6 7.4

升G（降A） 415.3 384.6 30.7

升G（降A） 415.3 434.5 19.2

A A 440 434.5 5.5

升A（降B） 466.16 434.5 31.66

升A（降B） 466.16 500 33.84

B B 493.88 500 6.12

C（高八度） 523.25 500 23.25

3 利用激光多普勒测振仪分析压电陶瓷通电时乐器表面的振动情况

3.1 激光多普勒测振仪原理

激光多普勒测振仪将激光束照射到被射物体上，由于产生了多普勒效应，反射光的频率随着物体振动速度而发生偏移。这个反射光与参考光在同一空间位置上发生干涉，两束光的频率差就是所产生的拍频，通过O/E转换对这束脉冲光进行频率检波，检出物体振动的速度和频率成分。激光多普勒测振仪的频率响应范围大，动态范围宽，被测物体的动态特性不受影响，具有很多优点。

3.2 实验原理

本实验利用压电陶瓷的逆压电效应测量乐器内压电陶瓷通电时乐器部分表面的振动情况。

3.3 激光测振位置

本实验中激光扫描的表面内部就是压电陶瓷的粘贴位置，选取此扫描部分可观察到清晰明显的乐器表面振动情况（深色方框为扫描位置）。

图32

3.4 激光多普勒测振图像

图33 测振图像（一）

图34 测振图像（二）

由图像可知，当压电陶瓷片通电产生微弱振动时，吉他表面亦存在有规律的微弱振动现象。因此，吉他的共鸣箱与压电陶瓷间的振动是相互联系的，这也说明了利用压电陶瓷片对乐器进行音调识别的可行性与科学性。

图35 测振图像（三）

4 结语

本论文结合了从正压电效应与逆压电效应两个角度出发的实验，对吉他发出不同频率的乐音时，压电陶瓷片所发出的电信号的特征进行了双重分析，并加入分析了压电陶瓷通电时，吉他表面所表现出的振动情况。两个实验充分体现了压电陶瓷在乐器识音方面的可行性与实用性，即压电陶瓷片可以对常见乐器所发出的不同音调进行识别，表现出较为准确、清晰的电信号特征，帮助计算机或人们对音调进行辨别，实现压电陶瓷在乐器识音方面的基础

功能。

参考文献

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[2] Wikipedia.快速傅里叶变换，2013.http：///wiki/%E5%82%85%E9%87%8C%E5%8F%B6%E5%8F%98%E6%8D%A2.

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[5] 黄方能，吴玉燕.FFT谐波检测存在的问题[J].广西电力，2005，（4）：39.

[6] Wikipedia.Scientific pitch notation[G/OL]，

2013. http：///wiki/Scientific_pitch_notation.

[7] 晏素平.振动测量用的激光多普勒测振仪[J].现代科学仪器，1991，（4）.

致谢：

感谢清华大学材料学院褚祥诚副教授为我的课题研究进行的指导与改进。

感谢北京景山学校裴加旺老师从专业知识上与仪器使用上对我的指导与支持。

感谢北京景山学校宋梦圆老师的无私奉献和对课题方面的宝贵建议。

感谢北京市八一中学徐存臣老师对研究课题的认可、建议与支持。

感谢北京市“翱翔计划”的所有领导与老师，为我们的未来发展提供了难得的舞台，让我们领略先进科学技术与前沿科学文化，走入当代科学殿堂。

压电陶瓷范文4

关键词：压电陶瓷；节能减排；减速带

作品内容简介

我们将压电陶瓷技术与减速带相结合，设计出一种新型的节能减速带装置。压电陶瓷具有正压电效应和负压电效应。在机械力的作用下，压电陶瓷发生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚的电荷，宏观表现为压电陶瓷的正负极出现电压。减速带是公路上普遍存在的一种交通安全设备。在城镇道路上每天都会有成千上万的车辆在上面碾压通过。我们将这两种材料设备结合起来，利用减速带所承受的压力和压电陶瓷因受压而产生电能的特性研发出新型的节能减速带。

截止2015年底，我国的汽车保有量已经达到2.79亿辆。这就代表着各个城市的道路上每天都会有成千上万辆车来回穿梭，城市主干道的车流量更是川流不息，而这其中就蕴藏了大量的未被开发的机械能。我们通过利用本设备，将车辆的机械压力应用于压电陶瓷之上，可以将这些机械能转化为电能，实现能量的再利用，从而达到节约能源和可持续发展的目的。并且该设备的原理和制作工艺简单易懂，造价与普通减速带相比相差无几，几乎不会对道路交通，过往车辆或者是周围环境产生任何的影响。另一方面，这样的一个产品的造价与传统的减速带相比，价格相差不高，但是却可以源源不断的将无用的机械能转化为电能，具有较好的社会济效益。

1 研制背景及意义

目前国际上各个国家都在压电技术方面做研究，并且在压电技术与公路相结合的方面已取得较大进展。我们小组是将压电陶瓷技术与减速带相结合。利用车辆在通过减速带时产生的压力，将机械能转化为电能，从而实现机械能向电能的转化，达到节能减排和可持续发展的目的。

2 研究历程

1.了解压电陶瓷的特性并初选材料

要想正确利用压电陶瓷，应先充分了解它的特性和工作原理。在前三天的时间里，我们小组成员利用网络资源，图书馆资源分头查阅资料了解其原理并将对实验有帮助的资料上传到讨论组里供大家参考，为以后更好地进行模型制作和试验奠定了良好的基础。并且根据所查资料并结合项目本身的实际情况，初步选定了4种压电陶瓷材料。

2、设计电路

电路的设计决定了产生电能的效果，并联和串联两大基础电路各有利弊。在之前的对于压电陶瓷材料的学习过程之中我们已经知道压电陶瓷材料的电阻很大，不适宜采用串联电路，而并联电路能使电阻减小，产生的电流比较可观。最终，我们决定选择并联电路，其次，通过查阅论文和文献等资料并结合减速带的结构绘制了电路图。

3、通过对比试验，最终选定材料。

我们先将每一种初步选择的压电陶瓷与万能电流表相连，通过施加压力检测其产生电压的能力。经过大家的多次试验和数据记录，因为其形状尺寸适中，受压时能够产生较大的电压，价格适中，比较符合我们试验的要求，最终我们决定选取矩形压电陶瓷片进行实验。

4、制作实物模型。

根据设计的电路图，结合减速带的形状尺寸，经过测量和计算，完成了实物电路连接。将压电陶瓷线路与减速带结合，为了保护导线并使压电陶瓷充分受力和得到保护，我们将两层PVC板覆盖在整体线路上，裁出线路槽，将线路充分包裹。最后，引出多余的导线连接在蓄电池上，再将蓄电池安放在减速带旁。

3 实验步骤及内容

1、不同车流量下的发电实验

我们首先选择在学校车流量较大的地方安放减速带，在旁边记录车流量并计时，每一个小时记录一次蓄电池的电压值。同时设计一组蓄电池对比实验以减小其他因素产生的实验误差。将一不做任何处理的蓄电池放在相同环境下，与实验蓄电池同时记录电压值，并在试验后将数据进行对比，差值即为产生的电能。

2、不同压力下产生电压实验

通过减速带的压力主要有人、非机动车和机动车产生的压力。我们对相关车辆记重并进行实验，每种压力进行多次试验，记录数据并绘制关系曲线。（数据和曲线图见附件）

3、等压下受压次数与电压的关系

利用几组不同压力，对减速带分别进行相同次数的次等压力施压，每次施压结束后记录蓄电池电压值。记录数据并进行比较分析绘制出关系曲线。

4 工作原理及性能分析

工作原理：压电材料具有正压电效应和负压电效应。在机械力的作用下，压电材料发生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚的电荷，宏观上表现为压电陶瓷的正负极出现电压。因压电陶瓷片本身电阻较大，所以我们将压电陶瓷片并联起来，形成一个线路，然后将该线路与蓄电池相连接，再将整套装置放置于减速带底部。为了防止摩擦阻力过大损坏压电陶瓷片以及电线等，特此在装置上覆盖一层PVC板，避免压电陶瓷和电线与地面的直接接触。当人或车辆在通过减速带时，产生的压力使压电陶瓷发生形变，两极出现电压，然后接到蓄电池两极将该电能 收集储存。通过这一装置实现机械能向电能的转化。

性能分析：我们在人，电动车，普通小汽车等不同情况下，得到了压力与平均电压的关系图。

经分析可得，压电陶瓷的电压与其所受的压力成正比关系。以1.5吨的普通汽车为例，在80mm*65mm的受压面内经76次试验，平均单次受压可产生21.54V电压。压电转化效率最高可达44.21%.（见图6）

压电陶瓷范文5

关键词：电子陶瓷材料；分类；应用；发展趋势

1 前言

材料是人类生产和生活的物质基础，是人类进步与人类文明的标志。随着空间技术、光电技术、红外技术、传感技术、能源技术等新技术的出现、发展，要求材料必须具有耐高温、抗腐蚀、耐磨等优越的性能，才能在比较苛刻的环境中使用。传统材料难以满足目前的要求，因此，开发和有效利用高性能材料已经成为材料科学发展的必然趋势。

2 工业用电子陶瓷材料的分类

电子陶瓷按功能和用途可以分为五类：绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。绝缘装置瓷简称装置瓷，具有优良的电绝缘性能，用作电子设备和器件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷。电子陶瓷按特性可分为高频和超高频绝缘陶瓷、高频高介陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、光电陶瓷、电阻陶瓷等。按应用范围可分为固定用陶瓷、电真空陶瓷、电容器陶瓷和电阻陶瓷。按微观结构可分多晶、单晶、多晶与玻璃相、单晶与玻璃相。

（1） 陶瓷基片材料

陶瓷基片材料在电子陶瓷中，占有最重要位置的是绝缘体。特别是高级集成电路用绝缘基片或封装材料，可以采用尺寸精度为微米或微米以下的高纯度致密氧化铝烧结体。高纯度致密氧化铝具有金属材料所不具备的绝缘性和高分子材料所不具备的导热性。

（2） 压电陶瓷

压电陶瓷由于是多晶材料，所以使用频率受到限制。压电元件可使电信号和机械信号相互转换。一定形状的压电陶瓷元件主要由PbTiO3-PbZrO3系烧结而制成，即使是烧结体，通过极化也可获得单晶所具有的压电性。压电元件的主要用途有火花塞和谐振器。谐振器起选择性通过特定频率电波滤器的作用，是电视（TV）、无线电等调谐电路不可缺少的元件。

（3）铁电陶瓷

铁电陶瓷以铁电性晶体为主晶相的电子陶瓷。已发现的铁电晶体不下千种，但作为铁电陶瓷主晶相的主要有钙钛矿或准钙钛矿型的铁电晶体或固溶体。在一定的温度范围内晶体中存在着可随外加电场而转变方向的自发极化，这就是晶体的铁电性。当温度超过某一临界值──居里温度TC时，其极化强度下降为零，晶体即失去铁电性，而成为一般的顺电晶体；与此同时，晶体发生铁电相到顺电相的相变。铁电体的极化强度还随电场而剧烈变化。

铁电陶瓷功能多、用途广，利用其压电特性可以制成压电器件，这是铁电陶瓷的主要应用，因而常把铁电陶瓷称为压电陶瓷。利用铁电陶瓷的热释电特性可以制成红外探测器件，在测温、控温、遥测、遥感以至生物、医学等领域均有重要应用价值。典型的热释电陶瓷有钛酸铅（PbTiO3）等。利用透明铁电陶瓷PLZT的强电光效应，可以制成激光调制器、光电显示器、光信息存储器、光开关、光电传感器、图像存储和显示器，以及激光等新型器件。

（4） 半导体陶瓷

在陶瓷中，半导体是很多的，除了元素半导体和化合物半导体外，很多种金属的氧化物也具有半导体性质，甚至还有有机高分子的半导体。而半导体陶瓷则是指采用陶瓷工艺成型的多晶陶瓷材料，它与单晶半导体不同，存在大量晶界，晶粒的半导体化也是在烧成工艺过程中完成的。因此，有丰富的材料微结构状态和多样的工艺条件，可以非常敏感的影响材料的性能，这为开辟陶瓷敏感材料的新领域提供了广阔的天地。电阻随温度而变化的性质，可用于非线性电阻。负温度系数非线性电阻随温度上升而电阻降低，具有一般的半导体特性。铁系金属的氧化物陶瓷，因为具有化学的和热的稳定性，所以可用于非线性电阻，在很宽的范围控制温度。与此相反，称为正温度系数热敏电阻（PTC热敏电阻）的元件，用的是半导体化的BaTiO3陶瓷。这种陶瓷因为在相变温度下电阻急剧增大，如果作为电阻加热元件而应用，则可在相变温度附近自动控温，是很方便的。

（5） 敏感性材料在陶瓷行业中的应用

1） 正温度系数热敏电阻材料（PTC）

这种材料的电阻和温度关系，在低于居里温度时呈现低阻抗，高于这一温度时则呈现高阻抗，电阻变化是在居里温度附近以陡变的方式实现的，组织变化的幅度可高达100～105倍。利用这种特性可以作为自控型发热元件，还可用做对特定温度敏感的元件，以及延时开关、过流保护、测温等方面的元件，因此PTC陶瓷应用领域十分广阔。PTC热敏陶瓷材料目前主要是钛酸钡，它的居里温度为120 ℃，通过添加锶、铅、锡、锆等氧化物可以大幅度改变其居里温度。

2） 负温度系数电阻器材料

除了PTC热敏电阻器外，另一类半导体热敏陶瓷就是负温度系数（NTC）热敏陶瓷电阻器，它的电阻对数值随温度升高而几乎呈线形降低。这类材料由锰、铜、铁、钴等金属的复杂氧化物组成，由于组织易于控制，随温度变化大，精度高，价格低，所以NTC热敏电阻器在民用电器、汽车、通讯等设备上用得较多。

3） 由金属氧化物组成的湿敏陶瓷

由金属氧化物组成湿敏陶瓷，如：SnO2、ZrO2基等。曾有人开发出使用钙钛矿型的陶瓷系列湿度传感器。该系列中的某一组成表现出很强的湿敏效应。湿敏的原理是基于半导体氧化物吸附水分后改变了表面导电性或电容性。湿度传感器在电子、食品、纺织工业及各种空调设备、集成电路内非破坏性湿度检测等场合应用十分广泛。

4） 压敏陶瓷

压敏陶瓷是一类应用极为广泛的敏感材料。利用材料的电流-电压非线性特性，可用于制成电压敏感器件，它的阻值不是恒定值，而是随电压增高到一定值时下降，所以也成为变阻器。这一特性特别适用于电子电路、电力系统及家电产品中的过压保护，发展前景很好。目前，氧化锌-氧化铋系材料的应用最为普遍。半导体陶瓷对环境气氛往往具有选择性的敏感特性。如氧化锡、氧化锌、氧化钛材料体系是若干碳氢化合物敏感元件氧化锆系材料是测氧分压最常用的敏感材料。其共同特征是通过有选择地吸附气体，使半导体的表面能态发生改变，从而引起电阻率的变化，确定某种未知气体及其浓度范围。

3 工业用电子陶瓷材料的应用领域

电子陶瓷是广泛用于制作电子功能元件的，多数以氧化物为主要成份的烧结体材料。电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷工艺大致相同。利用陶瓷材料的高频或超高频和低频电气物理特性可制作各种不同形状的固定零件、陶瓷电容器、电真空陶瓷零件、碳膜电阻基体等等。

信息化是21世纪重要的时代特征，信息功能陶瓷材料已经成为现代电子信息技术的重要基石，在能源、家用电器、汽车等方面可以广泛应用，尤其在通信、广播、电视、雷达、仪器仪表等电子设备中是不可缺少的组成部分。另外，随着激光、计算、集成、光学等新技术的发展，电子陶瓷的用途更日益扩大。信息功能陶瓷以其高性能和应用的广泛性，日益成为许多新型电子元器件的重要关键基础材料，在国民经济和国防建设中占有十分重要的战略地位，目前应用最广的是电子信息领域。随着电子信息产品进一步向小型化、集成化、宽带化的方向发展，信息功能陶瓷的细晶化、电磁特性的高频化、低温共烧陶瓷技术等将成为发展新一代片式电子元器件的关键技术，导致一系列新型电子元件和模块的出现。信息功能陶瓷作为一大类对电、磁、光、声、热、力等信息具有检测、转换、存储、耦合和传输等功能的介质材料，广泛应用于电子信息、集成电路、计算机、自动控制、航空航天、海洋超声、通信技术、汽车和能源等近代高新技术领域。时下，压电陶瓷产品门类齐全，不仅广泛用于军事和工业领域，还渗透到了人们日常生活的每个角落，其应用领域较广。

（1） 超声换能器

近几年发展较快的有陶瓷谐振器、陶瓷滤波器，还有调谐音叉滤波器、机械滤波器、陶瓷鉴频器、陷波器和延迟线。其中，陶瓷谐振器、陶瓷滤波器产量已经占我国压电陶瓷产品的65%以上，相当引人注目。特别是陶瓷谐振器具有高稳定、无需调节、尺寸小和成本低等特点。典型的应用有：电视机、摄录像机、计算机、CD-ROM驱动器、汽车电器、VCD、电话机、复印机、语音合成器、遥控器和玩具等。压电超声换能器是发射和接收超声波的声学器件，在水和空气介质中广泛应用。在水声通信中起雷达的作用，被称为声呐，是各类舰船必不可少的重要传感器。在工业中，超声换能器已被用于超声清洗、超声精密加工、超声加湿、超声乳化、超声种子处理、超声探伤和超声诊断等。当今，压电超声换能器的另一广泛应用领域是遥测、遥控系统和报警系统。压电发声器的典型产品是压电蜂鸣器和压电送、受话器、手表、计算器、电子闹钟、小型警铃以及电话、手机的振铃都离不开蜂鸣器。计测和控制用压电器件主要有压力、加速度、角速度传感器以及超声测深、超声测厚、超声测流速、超声诊断等。

（2） 数字3C产品

近些年来，集计算机、通信等电子于一体的数字3C产品近年来得到了快速发展，3C融合产品已成为今后重要的发展方向。据预测，3C融合将创造出一个高达4000亿美元的产业。3C产业的高速发展，极大地推动着电子基础产品和元器件的同步协调发展，也对电子元器件的基础材料――信息功能陶瓷提出了严峻的挑战，同时也提供了良好的发展机遇。

（3） 电子信息产品

我国的电子信息产业，特别是一些附加价值高、技术含量高的新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距，不少高端产品在相当大的程度上被外资企业所控制。国外大公司，如：村田、松下、京都陶瓷、摩托罗拉等近年来长驱直入中国市场，目前已占据了国内片式元器件特别是高档片式元器件市场相当大的份额。我国信息产业正面临着产品升级换代的机遇和挑战。

4 电子陶瓷产业加速研发新材料

由于功能陶瓷材料近年来强大的市场需求和战略地位，世界各国对功能陶瓷的研究与开发都给予了足够的重视。美国、日本和西欧一些国家都将功能陶瓷作为关键技术，投入大量经费进行研究和开发。从总体上看，美、日在功能陶瓷的研究方面居领先地位。功能陶瓷电子元件发展的重要趋势是小型化、微型化、片式化、模块化和集成化。这些趋势向陶瓷材料科学和技术提出了一系列挑战。因此，围绕上述应用目标开展的功能陶瓷材料的研究及产业化目前十分活跃。

压电陶瓷范文6

关键词 脆性材料；工程陶瓷；陶瓷加工；特种加工

中图分类号TM28 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）119-0119-02

0引言

陶瓷材料具有良好的耐高温耐腐蚀性能、强度高、硬度高，是优良的高性能材料。随着陶瓷材料学的发展，其制备技术也越来越多，陶瓷材料的性能也逐步得到提高。陶瓷材料可以用到空间探测、航空航天等高技术领域中。

陶瓷材料的原子通过共价键、离子键结合，而金属材料通过金属键相结合，所以陶瓷材料与金属材料有完全不同的性质。陶瓷材料在常温下对剪切应力的变形阻力很大，且硬度很高。由于陶瓷晶体是由阳离子和阴离子以及它们之间的化学键组成的，化学键具有方向性、原子堆积密度低、原子间距大，使陶瓷显示出很大的脆性，加工产生的缺陷多，所以是典型的难加工材料。发展高效低成本的加工技术十分重要。

1陶瓷材料的车磨削加工技术

陶瓷材料的脆性极高，似乎很难将陶瓷与车削联系起来，但是陶瓷材料的压痕实验表明如果选用合适的金刚石刀具角度和切削参数仍然可以实现陶瓷材料的延性加工。相关的实验也表明采用超硬刀具材料都可以加工陶瓷材料。李湘钒超精密车削陶瓷材料的实验表明采用W-Co类硬质合金可以加工陶瓷零件。日本的原昭夫曾采用聚晶金刚石刀具车削Al2O3和Si3N4陶瓷。目前车削陶瓷材料主要选用金刚石刀具。在刃磨性能上单晶金刚石刀具优于聚晶金刚石刀具，它们都属于微量切削，去除率较低，加工质量和精度难以保证，还有待于进一步的研究。

磨削可以满足硬金属的加工要求，因而也可以成为陶瓷材料的主要加工方法，其精度和效率比较适中。磨削陶瓷材料一般选用金刚石砂轮，金刚石砂轮磨削材料时磨粒切人工件，磨粒切削刃前方的陶瓷表面材料受到挤压，当压力值超过陶瓷材料承受极限时被压溃，形成碎屑。同时磨粒切人工件时，由于压应力和摩擦热的作用，磨粒下方的材料会产生局部塑性流动，形成变形层，当磨粒切出时，由于应力的消失，引起变形层从工件上脱离形成切屑。从成屑机理上看陶瓷

材料的去除方式仍然是脆性的。磨削加工后的表面残留了大量的加工缺陷，因此深加工就成为必然的工序。为了降低深加工的成本，近年来提出了延性域磨削的概念。延性域磨削以提高磨削表面质量为主要目标，采用调整磨粒排布方式以及精密修整等技术来实现陶瓷材料的高效精密加工。陶瓷材料的磨削还存在砂轮磨损堵塞以及加工效率低等问题，这些问题有待于进一步的研究。

2陶瓷材料的特种加工技术

超声加工是在加工工具或被加工材料上施加超声波振动，在工具与工件之间加入液体磨料或糊状磨料，并以较小的压力使工具贴压在工件上。加工时，由于工具与工件之间存在超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨被加工表面，加上加工区域内的空化、超压效应，从而产生材料去除效果。超声加工比较适合陶瓷材料表面脆性的特点，这种方法加工的表面质量较好，容易实现加工自动化。其缺点是加工效率较低，工具寿命较低。

激光加工陶瓷材料，是利用能量密度极高的激光束照射到陶瓷材料表面上，光能被陶瓷表面吸收，光能部分转化为热能，使局部温度迅速升高产生熔化以至气化并形成凹坑。随着能量的继续吸收，凹坑中的蒸气迅速膨胀，把熔融物高速喷射出来，同时产生一个方向性很强的冲击波，这样材料就在高温、熔融、气化和冲击作用下被蚀除。激光加工高效环保，但光斑表面的温度梯度容易形成陶瓷材料表面的微裂纹，而且激光设备昂贵，使用成本较高。

电火花加工主要是通过电极间放电产生高温熔化和汽化蚀除材料。电火花加工适合于导电材料的加工。因为陶瓷材料是电绝缘体，所以必须采取特殊工艺。一种高压电火花加工方法是在尖电极与平电极间放入绝缘的陶瓷材料工件。两电极间加以直流或交流高电压，使尖电极附近的介质被击穿，发生辉光放电蚀除。另一种加工方法是在薄片陶瓷工件上压放一块薄金属网作为辅助电极，辅助电极和工具电极分别与脉冲电源的正负极相连，并放在油类工作液中，当脉冲电压施加到两极间，便在工具与辅助电极间产生火花放电；当电火花穿过工件上的辅助电极时，由于金属材料的气化喷射或溅射等作用使陶瓷零件表面导电，加工得以持续。还有一种加工方法是在陶瓷的表面涂覆导电材料进行电火花加工。电火花加工仍面临加工效率低、加工表面质量难以保证等问题，这些有待于进一步的研究。

3特种加工辅助车磨削技术

车磨削加工的效率相对较高，但其对工具的要求非常高，而且陶瓷材料的表面质量难以保证，对于成形陶瓷零件的加工也较难。为了提高陶瓷材料的加工精度以及加工范围，在车磨削加工中引入特种加工技术将会同时获得较高的加工效率和表面质量。

超声磨削加工，是在磨削加工的同时，对工具或工件施加超声频率振动，充分利用超声波的高频振动和空化作用去除材料，超声磨削加工方式较适用于陶瓷材料的加工，其加工效率随着材料脆性的增大而逐渐提高。超声磨削技术可以明显降低磨削温度、增加砂轮使用寿命、提高加工精度和表面质量。

激光辅助车削技术是将激光照射到刀具附近的陶瓷材料，在车削陶瓷材料的过程中，材料剪切区域因激光产生高温软化，减小了陶瓷材料的切削阻力，增加了陶瓷材料的加工延性，从而达到了陶瓷材料的高效延性加工。

在线电解磨削技术是将电解技术引入到磨削过程中，通过连续有限量的电解作用来蚀除砂轮表面的金属结合剂从而对砂轮进行修整以达到微粉磨粒不断出露的目的。在线电解技术是日本理化研究所研究的成果，加工陶瓷材料可以达到超精密加工的水平。

4结论

陶瓷材料在高技术领域中应用的广泛性促进了其加工技术的研究。陶瓷材料硬度高脆性大，采用传统的车磨削技术进行加工难度比较大，而特种加工技术效率低成本高，所以采用传统的车磨削技术与特种加工技术相结合的方法将是以后陶瓷加工技术研究的趋势。

参考文献

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[3]张贝.磨粒切厚可控的脆性材料延性域磨削基础研究[D].南京： 南京航空航天大学机电学院，2013.