新奇能量转换技术：压电陶瓷的能量转化与应用

19世纪中叶，德国医生迈尔（1814～1878）和英国业余科学家焦耳（1818～1889）通过各自不同的途径，分别提出了能量守恒定律。从此，人们分析不同形式的运动，假如它们之间发生了转化，如摩擦生热（机械运动转化为热运动），或摩擦起电（机械运动转化为电运动）等，它们的总能量是不会变化的。

在19世纪下半叶，科学家们发现了一种新奇的现象。当在一些材料表面加上压力，就会在材料的表面带上电荷，而且这种材料表面的电荷密度与压力成正比。反过来在某些材料表面施加电场，也会使材料变形；同样，材料变形的程度也与施加的电场成正比。这两种互逆的现象被分别称为正压电效应和逆压电效应，这两种效应都被简称为压电效应。从本质上讲，这就是电能与机械能相互转化的例证。

如果要在材料上施加交变电场，材料就会随着交变电场的频率而产生伸缩式的振动。

在现代技术的发展中，科技人员对陶瓷进行研究，并使某些陶瓷具备了压电性能，如氧化铅、氧化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化锌等。把它们在高温下烧结，这样制成的陶瓷，再进行高压电场下的处理，就能制成压电陶瓷。

压电陶瓷具有广泛的用途，如若归类，大约可总结为4类，即能量守恒型压电陶瓷、传感型压电陶瓷、驱动型压电陶瓷和频率控制型压电陶瓷。这里主要介绍第一类。

从能量转换的角度看，压电陶瓷可把机械能与电能相互转化。例如，像压电打火机（压电点火机）、炮弹引爆器等，这是将机械能转化为电能。又如，探寻水下的鱼群，对金属进行无损探伤，还有超声清洗和超声医疗等，这些是将电能转化为机械能的例子。(www.xing528.com)

以压电打火机为例。这种打火机只需用大拇指一按就可以引燃可燃的气体。如果仔细观察，大拇指是通过一支钢柱在压电陶瓷上施加按压的力量；在压电陶瓷上产生高电压，并形成火花放电。一般的压电打火机中，所安装的压电陶瓷外形为圆柱形，尺寸为高4毫米，直径为2.5毫米。这样小的陶瓷柱，所得到的电压为10～20千伏。在放电点火时，陶瓷几乎不会有任何磨损，寿命会很长。所以，这样的打火机安全可靠，使用非常方便。

附带说说压电引爆装置。在反坦克炮弹中安装压电陶瓷器件。当炮弹打在坦克车身上时，压电陶瓷受到重压，产生高电压，并点燃炸药。由于这种撞击的压力很大，产生的瞬间电流达10万安培以上，甚至可引爆原子弹。

又如压电探鱼仪。这实际上是一种声呐装置。它可以发射声波，也可以接收声波。在发射和接收声波时都要用到压电陶瓷。在发射声波的部分，它是用交变电场使压电陶瓷伸缩振动。当交变频率接近压电陶瓷的固有频率时，就可以产生共振的现象。这时的波很强，可以传至千米以上。当声波遇到鱼群就会反射回来，当反射波作用在压电陶瓷上时，即变成电信号。经过电路的处理可以显现出鱼群的种类和密集程度，以及鱼群的方位和距离，为捕捞作业提供有价值的信息。

借助类似的原理，我们还可以搞清楚压电地震仪和压电超声治疗仪之类仪器的原理。当地震发生时，从地震源产生的地震波向四面八方传播。这种地震波作用在地震仪中的压电陶瓷上，会产生正压电效应，并感应出一定强度的电信号。由于压电陶瓷的灵敏度很高，可精确测出极小的信号，甚至一只蜜蜂在10多米外的地方拍打翅膀所引起的空气流动，作用在压电陶瓷上都可以感应出电信号。同样，对于微弱的地震波都能感应出电信号，所以，对地震预警会发挥极大的作用。

关于压电超声治疗仪可能不会使读者产生陌生感，其实这种仪器应用得最普遍。其中最有代表性的是B型超声诊断仪（简称B超）。这种仪器中的超声探头是用压电陶瓷制作的。在诊断过程中，探头发出超声波，动物体内的不同器官对超声波有不同的反应，即产生的吸收作用、反射作用和透射作用是不同的，所以，在接收这些反射波并转换成压电信号的强度是有不同的。这种电信号可显示在屏幕上，以图形的形式显示各个脏器的大小和位置，以及有无病变等。如果有病变组织，也可显示其大小和位置等。