壓電陶瓷的新能源背景及意義

付新宇

摘要：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展當(dāng)今時(shí)代，隨著壓電陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，壓電陶瓷作為一種精密驅(qū)動(dòng)器件其自身的性能日益受到使用者的關(guān)注。壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料。其所具有的壓電效應(yīng)是當(dāng)某些材料受到機(jī)械力而產(chǎn)生拉伸或壓縮時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，使材料相對(duì)的兩個(gè)表面出現(xiàn)等量異號(hào)電荷的現(xiàn)象，外力越大，則表面電荷就越多，這種效應(yīng)一般稱做正壓電效應(yīng)。表面電荷的符號(hào)視外力的方向而定。具有這種效應(yīng)的材料稱之為壓電材料。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷；新能源；新材料

一、壓電陶瓷的研究背景

自從人類社會(huì)進(jìn)入電氣時(shí)代以來，電的應(yīng)用給人類社會(huì)帶來了巨大的生產(chǎn)力，極大的推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步。由電力供能的大型機(jī)械設(shè)備開始出現(xiàn)，隨著電磁原理的不斷發(fā)展，廣播、電視、電話相繼出現(xiàn)，人們的生活真的可以說是日新月異。然而進(jìn)入電氣時(shí)代以后直到今天，我們消耗的能源的主要獲得途徑依然是作為不可再生能源的化石燃料的燃燒。

在電力應(yīng)用之初，人們對(duì)電能的消耗并不大，即使在特拉斯倡導(dǎo)將直流供電轉(zhuǎn)化為交流供電后，用電人群的范圍逐漸加大，人們也還沒有意識(shí)到化石燃料燃燒帶來的一些后果，只是充滿著對(duì)電力這種新能源應(yīng)用前景的希望和興奮。但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，和人類人口的爆炸式增長(zhǎng)，整個(gè)人類社會(huì)的用電需求大量增長(zhǎng)，尤其是許多國(guó)家將工業(yè)化作為目標(biāo)之后，工廠的大量出現(xiàn)大大加大了對(duì)電能的消耗。發(fā)電廠也隨著人類對(duì)電力需求的增大而不斷新建，這時(shí)人們才開始意識(shí)到化石燃料燃燒的副作用。

化石燃料作為不可再生能源，按照現(xiàn)在的消耗速度，遲早有一天會(huì)消耗殆盡，而已經(jīng)習(xí)慣用電的人類社會(huì)，是無法承擔(dān)由于無法供應(yīng)化石燃料而造成無法發(fā)電的后果的。另外，化石燃料的利用效率不高，在其燃燒過程中會(huì)排出大量的二氧化碳等溫室氣體和二氧化硫，一氧化碳等有毒氣體，造成的溫室效應(yīng)加劇很可能危害整個(gè)人類的生存?；剂先紵a(chǎn)生的大量粉塵，也給空氣帶來了巨大的污染，造成了霧霾等一系列不良的空氣狀況。

除了在能源方面的擔(dān)心以外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)于設(shè)備運(yùn)行的精度越來越高，純手工的操作已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的精度要求。所以人們急切需要能夠自動(dòng)控制的電子產(chǎn)品，通過精確的計(jì)算代替人類操作設(shè)備，從而達(dá)到高精度的生產(chǎn)要求。控制電路的一項(xiàng)重要組成部分就是各式各樣的傳感器。他們將實(shí)際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐蟮男盘?hào)形式反饋給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而讓計(jì)算機(jī)對(duì)目前設(shè)備的整體情況做出判斷，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和控制操作。在傳感器的研究中，能夠把壓力、聲音、光照等日常生活中常見的物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的新材料就成為的研究的重點(diǎn)。如光敏電阻等。

在這樣的大背景下，壓電陶瓷作為能夠把壓感信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的新型材料，被廣泛的研究和應(yīng)用。它是一類具有壓電特性的電子陶瓷材料，與典型的不包含鐵電成分的壓電石英晶體的主要區(qū)別是：構(gòu)成其主要成分的晶相都是具有鐵電性的晶粒。由于陶瓷是晶粒隨機(jī)取向的多晶聚集體，因此其中各個(gè)鐵電晶粒的自發(fā)極化矢量也是混亂取向的。為了使陶瓷能表現(xiàn)出宏觀的壓電特性，就必須在壓電陶瓷燒成并于端面被復(fù)電極之后，將其置于強(qiáng)直流電場(chǎng)下進(jìn)行極化處理，以使原來混亂取向的各自發(fā)極化矢量沿電場(chǎng)方向擇優(yōu)取向。經(jīng)過極化處理后的壓電陶瓷，在電場(chǎng)取消之后，會(huì)保留一定的宏觀剩余極化強(qiáng)度，從而使陶瓷具有了一定的壓電性質(zhì)。

常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鋯鈦酸鉛二元系及在二元系中添加第三種ABO3（A表示二價(jià)金屬離子，B表示四價(jià)金屬離子或幾種離子總和為正四價(jià)）型化合物，如：Pb（Mn1/3Nb2/3）O3和Pb（Co1/3Nb2/3）O3等組成的三元系。如果在三元系統(tǒng)上再加入第四種或更多的化合物，可組成四元系或多元系壓電陶瓷。此外，還有一種偏鈮酸鹽系壓電陶瓷，如偏鈮酸鉀鈉（Na0.5·K0.5·NbO3）和偏鈮酸鍶鋇（Bax·Sr1-x·Nb2O5）等，它們不含有毒的鉛，對(duì)環(huán)境保護(hù)有利。

二、壓電陶瓷的研究意義

由于壓電陶瓷自身具有環(huán)保性以及把壓感信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的能力，壓電陶瓷在新能源開發(fā)方面，具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值和實(shí)用價(jià)值。利用壓電陶瓷，可以將生活中浪費(fèi)的壓力能量利用起來，為新式能量的利用找到一條新思路，減少能量的浪費(fèi)，增加能量的利用率。下面是我在日常生活中對(duì)壓電陶瓷在新能源應(yīng)用方面的一種設(shè)想。

在日常的學(xué)校生活中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，在宿舍熄燈后，光線昏暗。若同學(xué)們需要在宿舍走動(dòng)又沒來的及開燈時(shí)很容易發(fā)生危險(xiǎn)，尤其時(shí)上下樓梯時(shí)，時(shí)常會(huì)有同學(xué)踩空樓梯扭傷或摔傷的情況的出現(xiàn)。如果能夠設(shè)計(jì)一種踩在上面就能發(fā)光的夜光地毯，在晚上當(dāng)同學(xué)們需要走動(dòng)時(shí)可以提供照明，可以為同學(xué)們提供方便，舒適的宿舍環(huán)境，減少同學(xué)們因夜晚黑暗造成的受傷，也不會(huì)因?yàn)楣饩€太強(qiáng)影響到其他同學(xué)的休息。

秉承著節(jié)能環(huán)保的理念，這個(gè)地毯主要的能量來源為同學(xué)們踩在地毯上的壓力產(chǎn)生的能量。這樣既可以解決我們?nèi)粘Ｉ畹膯栴}，也可以利用起來平常被大大浪費(fèi)的能量，為多方面利用能源找一個(gè)新思路，促進(jìn)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。如果將壓電陶瓷鋪設(shè)在該地毯中，將踩在上面的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并進(jìn)行儲(chǔ)存，即可以達(dá)到上述效果。

綜上所述，這樣就實(shí)現(xiàn)了在日常生活中當(dāng)我們需要小型的照明工具時(shí)就能發(fā)光，平時(shí)也能保持黑暗的愿望。這樣既不浪費(fèi)能源，不影響人們正常的休息又解決了實(shí)際問題，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

同時(shí)，在研究壓電陶瓷的過程中，我也發(fā)現(xiàn)了一些在現(xiàn)有的技術(shù)和條件下仍需要克服的困難，如成本相對(duì)較高、能量轉(zhuǎn)換效率較低等，這些缺點(diǎn)也一定程度上限制了壓電陶瓷在新能源方面的大規(guī)模應(yīng)用及推廣。即便如此，我對(duì)壓電陶瓷這種新型材料仍持有樂觀態(tài)度。每一種新能源在推廣初期都會(huì)遭遇一些困難和瓶頸，譬如成本問題就限制了很多新能源的大規(guī)模應(yīng)用，只能在政府補(bǔ)助下茍延殘喘。但是，這些新能源隨著時(shí)間的推移最終都會(huì)顯示出自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為推進(jìn)社會(huì)發(fā)展不可或缺的一部分。壓電陶瓷也不會(huì)成為例外，它可以使生活中浪費(fèi)的壓力能量得以利用，減少浪費(fèi)，節(jié)能環(huán)保，在新能源代替舊能源的浪潮下終會(huì)凸顯出自己的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮出獨(dú)有的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋道仁，肖鳴山.壓電效應(yīng)及其應(yīng)用.[M]科學(xué)普及出版社，1987.

[2] 丁美娜. 壓電效應(yīng)變壓原理及實(shí)驗(yàn)裝置[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，1995，（04）：30-32.

[3] 閻瑾瑜. 壓電效應(yīng)及其在材料方面的應(yīng)用[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011，（01）：100-101.

[4] 宋海龍，汪勇，李昊東，金丹. 壓電材料及壓電效應(yīng)的應(yīng)用[J]. 硅谷，2014，7（23）：107-108.endprint