第一篇：壓電陶瓷的制備與應用

壓電陶瓷的制備與應用 【摘要】本文主要概述了國內(nèi)外關(guān)于壓電陶瓷材料的發(fā)展歷史進程和研究現(xiàn)狀，提出壓電陶瓷材料的制備方法，探討了其發(fā)展趨勢和應用前景。指出了現(xiàn)代壓電陶瓷材料正在向著復合化，薄膜化，無鉛化及納米化方向發(fā)展。該材料應用前景廣闊，是一種極有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧??！娟P(guān)鍵詞】 壓電陶瓷性能參數(shù) 制備方法應用

壓電陶瓷是指把氧化物混合(氧化锫、氧化鉛、氧化鈦等)高溫燒結(jié)、固相反應后而成的多晶體．并通過直流高壓極化處理使其具有壓電效應的鐵電陶瓷的統(tǒng)稱，是一種能將機械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。壓電陶瓷是含高智能的新型功能電子材料,隨著材料及工藝的不斷研究和改良,壓電陶瓷的技術(shù)應用愈來愈廣。壓電材料作為機、電、聲，光、熱敏感材料，在傳感器、換能器、無損檢測和通訊技術(shù)等領(lǐng)域已獲得了廣泛的應用，世界各國都高度重視壓電陶瓷材料的研究和開發(fā)。

1、壓電陶瓷的性能參數(shù)（1）機械品質(zhì)因數(shù)

機械品質(zhì)因數(shù)的定義是：Qm=×2∏，他表示在振動轉(zhuǎn)換時，材料內(nèi)部能量消耗的程度。機械品質(zhì)因數(shù)越大，能量的損耗越小。機械品質(zhì)因數(shù)可以根據(jù)等效電路計算而得：Qm=,式中R1為等效電阻，Ws為串聯(lián)諧振頻率，C1為振子諧振時的等效電容。當陶瓷片作徑向振動時，可近似地表示為Qm=，式中C0為振子的靜態(tài)電容，單位F；△f為振子的諧振頻率fr與反諧振頻率fa之差，單位Hz；Qm為無量綱的物理量。（2）基電耦合系數(shù)

機電耦合系數(shù)K是綜合反映壓電材料性能的參數(shù)，它表示壓電材料的機械能與電能的耦合效應。機電耦合系數(shù)可定義為K2=（逆壓電效應），K2=（正壓電效應）沒有量綱。機電耦合系數(shù)是壓電材料進行機—電能量轉(zhuǎn)換的能力反映，它與機—電效率是完全不同的兩個概念。它與材料的壓電常數(shù)、介電常數(shù)和彈性常數(shù)等參數(shù)有關(guān)，因此，機電耦合常數(shù)是一個比較綜合性的參數(shù)。（3）彈性系數(shù)

根據(jù)壓電效應，壓電陶瓷在交變電場作用下，會產(chǎn)生交變伸長和收縮，從而形成與激勵電場頻率（信號頻率）相一致的受迫振動。對于具有一定形狀、大小和被覆工作電極的壓電陶瓷稱為壓電陶瓷振子（簡稱振子）。實際上，振子諧振時的形變是很小的，一般可以看作是彈性形變。反映材料在彈性形變范圍內(nèi)應力與應變之間的參數(shù)為彈性系數(shù)。

壓電陶瓷材料是一個彈性體，它服從胡克定律：在彈性限度范圍內(nèi)，應力與應變成正比。當數(shù)值為T的應力（單位為Pa）加于壓電陶瓷片上時，所產(chǎn)生的應變S為S=sT、T=cS式中s為彈性柔順系數(shù)，單位m2／N，c為剛性剛度系數(shù)，單位Pa。

2、壓電陶瓷的制備過程

I、生產(chǎn)中廣泛采用的壓電陶瓷工藝，主要包括以下步驟：配料混合預燒粉碎成型排膠燒結(jié)被電極極化測試，如圖2所示。

(1)配料、球磨混合

原料選用純度高、細度小和活性大的粉料，根據(jù)配方或分子式選擇所用原料，并按原料純度進行修正計算，然后進行原料的稱量。按化學配比配料以后，使用行星式球磨機將各種配料混合均勻。實驗室常采用的是水平方向轉(zhuǎn)動球磨方式，震動球磨是另一種常用的球磨方法，此外還有氣流粉碎法等混合方法。(2)預燒、粉碎、成型、排膠和燒結(jié) 混合球磨后的原料進行預燒。預燒是使原料間發(fā)生固相化學反應以生成所需產(chǎn)物的過程，預燒過程中應注意溫度和保溫時間的選擇。將預燒反應后的材料使用行星式球磨機粉碎。成型的方法主要有四種；軋膜成型、流延成型、干壓成型和靜水壓成型。軋膜成型適用于薄片元件；流延成型適合于更薄的元件，膜厚可以小于10 m；干壓成型適合于塊狀元件；靜水壓成型適合于異形或塊狀元件。除了靜水壓成型外，其他成型方法都需要有粘合劑，粘合劑一般占原料重量的3％左右。成型以后需要排膠。粘合劑的作用只是利于成型，但它是一種還原性強的物質(zhì)，成型后應將其排出以免影響燒結(jié)質(zhì)量。燒結(jié)是將坯體加熱到足夠高的溫度，使陶瓷坯體發(fā)生體積收縮、密度提高和強度增大的過程。燒結(jié)過程的機制是組成該物質(zhì)的原子的擴散運動。燒結(jié)的推動力是顆?；蛘呔Я５谋砻婺埽瑹Y(jié)過程主要是表面能降低的過程。晶粒尺寸是借助于原子擴散來實現(xiàn)的。(3)被電極、極化、測量

燒結(jié)后的樣品要被電極，可選用的電極材料有銀、銅、金．鉑等，形成電極層的方法有真空蒸發(fā)、化學沉積等多種。壓電陶瓷中廣泛采用的是，在燒結(jié)后的樣品涂上銀漿，在空氣中燒制電極。為了防止空氣在高壓下電離、擊穿，極化一般是在硅油中進行。為了獲得優(yōu)良的壓電性能，需要選擇合適的電場強度，適當?shù)臉O化溫度。極化樣品放置24小時后，用壓電常數(shù)測量儀測量d33，用高頻阻抗分析儀(Agilent4294A等)測量介電常數(shù)、介電損耗、諧振頻率等。

II濺射法(sp ut tering)是利用高速運動的荷能離子把靶材上的原子(或分子)轟擊下來沉積在基片(加熱或不加熱)上形成薄膜的方法,采用射頻磁控濺射能進一步增加電子的行程,加強電離和離子轟擊效果,從而能有效提高濺射效率及薄膜的均勻性。

III、脈沖激光沉積(PLD)是80年代后期發(fā)展起來的新型薄膜制備技術(shù)。相對于其它薄膜制備技術(shù), PLD具有沉積速度快、靶材和薄膜成分一致、生長過程中可原位引入多種氣體、燒蝕物粒子能量高、容易制備多層膜及異質(zhì)結(jié)、工藝簡單、靈活性大、可制備的薄膜種類多、可用激光對薄膜進行多種處理等優(yōu)點

IV、sol-gel法是通過將含有一定離子配比的金屬醇鹽和其它有機或無機金屬鹽溶于共同的溶液中,通過水解和聚合形成均勻的前驅(qū)體———溶膠,再經(jīng)提拉、旋轉(zhuǎn)涂覆、噴涂或電沉積法等將前驅(qū)體溶膠均勻地涂覆在基片上,然后烘干除去有機物,最后退火處理得到具有一定晶相結(jié)構(gòu)的無鉛壓電陶瓷薄膜。

3、壓電陶瓷的應用

近年來，隨著宇航、電子、計算機、激光、微聲和能源等新技術(shù)的發(fā)展，對各類材料器件提出了更高的性能要求，壓電陶瓷作為一種新型功能材料，在日常生活中，作為壓電元件廣泛應用于傳感器、氣體點火器、報警器、音響設(shè)備、超聲清洗、醫(yī)療診斷及通信等裝置中。它的重要應用大致分為壓電振子和壓電換能器兩大類。前者主要利用振子本身的諧振特性，要求壓電、介電、彈性等性能穩(wěn)定，機械品質(zhì)因數(shù)高。后者主要是將一種能量形式轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，要求機電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)高。壓電陶瓷的主要應用領(lǐng)域如下表所示： 應用領(lǐng)域

主要用途舉例

電源

壓電變壓器 雷達、電視顯像管、陰極射線管、蓋克計數(shù)管、激光管和電子復印機等高壓電源和壓電點火裝置

信號源

標準信號信號源

振蕩器、壓電音叉、壓電音片等用作精密儀器中的時間和頻率標準信號源

信號轉(zhuǎn)換

電聲換能器

拾聲器、送話器、受話器、揚聲器、蜂鳴器等聲頻范圍的電聲器件

超聲換能器

超聲切割、焊接、清洗、攪拌、乳化及超聲顯示等頻率高于20Hz的超聲器件

發(fā)射與接收

超聲換能器

探測地質(zhì)構(gòu)造、油井固實程度、無損探傷和測厚、催化反應、超聲衍射、疾病診斷等各種工業(yè)用的超聲器件

水聲換能器

水下導航定位、通信和探測的聲吶、超聲探測、魚群探測和傳聲器等

信號處理

濾波器

通信廣播中所用各種分立濾波器和復合濾波器，如彩電中頻率波器；雷達、自控和計算機系統(tǒng)所用帶通濾波器、脈沖濾波器等

放大器

聲表面波信號放大器以及振蕩器、混頻器、衰減器、隔離器等

表面波導

聲表面波傳輸線

4、結(jié)束語

壓電陶瓷是一種重要的功能材料，具有優(yōu)異的壓電、介電和光電等電學性能，被廣泛地應用于電子、航空航天、生物等高技術(shù)領(lǐng)域。近年來，各國都在積極研究和開發(fā)新的壓電功能陶瓷，研究的重點大都是從老材料中發(fā)掘新效應，開拓新應用；從控制材料組織和結(jié)構(gòu)入手，尋找新的壓電材料。特別值得重視的是隨著材料技術(shù)和工藝的發(fā)展，目前國際上對壓電材料的應用研究十分活躍，許多新的壓電器件，包括過去認為是難以實現(xiàn)的器材也被研制出來了。隨著對材料的組成、制備工藝及結(jié)構(gòu)的不斷深入研究，更加新穎的壓電器件將不斷的映現(xiàn)出來。

【參考文獻】

[1]張沛霖，鐘維烈．壓電材料與器件物理[M]．濟南t山東科學技術(shù)出版社．1994． [2]陸雷、肖定全、田建華、朱建國.無鉛壓電陶瓷薄膜的制備及應用研究.[3]張雷、沈建新.壓電陶瓷制備方法的研究進展.硅酸鹽通報.[4]肖定全.關(guān)于無鉛壓電陶瓷及其應用的幾個問題.電子元件與材料.2004.材料合成與制備方法論文 壓電陶瓷的制備與應用 院系：物理與電子工程學院 專業(yè)：材料物理 姓名：李鵬洋

第二篇：壓電陶瓷揚聲器常見問題及解決措施

壓電揚聲器認識誤區(qū)

低音不足：壓電陶瓷揚聲器特點在于中高頻段表現(xiàn)出色，表現(xiàn)在聽感上就會出現(xiàn)高頻成分凸出，而將低頻掩蓋掉，聽感上就會感覺沒有低音；在無腔體的狀態(tài)下，動圈喇叭的低音表現(xiàn)也不是很好，而且動圈喇叭在極限使用時受腔體影響，音量也有比較大的損失。

額定功率: 壓電喇叭為容性器件，是不以額定功率作為考量的，在應用中是以耐壓值作為考量依據(jù)的。壓電音頻功放也是以輸出電壓（Vp-p）表示輸出大小。

壓電喇叭腔體： 腔體對任何電聲器件都是有輔助作用的，壓電喇叭也需要腔體，只是對腔體的依賴性沒有動圈喇叭大；壓電喇叭在小腔體下S.P.L不會有很明顯的降低；當然，如果空間允許，音腔做大一些，音量、音效都會更好一些。

功放分類：數(shù)碼產(chǎn)品使用的小功放其實只有兩類：CLASS-AB和CLASS-D；其他的如K類、G類、H類都是在AB類和D類的基礎(chǔ)上增加一個升壓電路，達到增大功放輸出功率的目的。常見設(shè)計問題解決

1)聲音小

喇叭不良造成 > 措施：更換喇叭

結(jié)構(gòu)問題（如音腔設(shè)計不合理、泄露孔過多、聲短路、出音孔開孔率過小等）導致聲音小 > 措施: 通過調(diào)整腔體、出音孔開孔面積等方式解決。

電路問題，又分兩種情況：a，輸入信號過小導致；b，功放電路工作不正常導致 > 措施：通過實際分析解決，主要從幾個方面考慮：a.輸入信號大?。籦.IC焊接是否ok；c.電路參數(shù)是否正常.2)雜音

結(jié)構(gòu)共振雜音，這種是發(fā)生最多的。

措施：要找到產(chǎn)生雜音的“元兇”，然后通過固定、隔離等方法解決。

音源本身問題導致的雜音.> 措施: 更換音源解決。

喇叭不良出現(xiàn)雜音。> 措施: 更換喇叭。

電路干擾（底噪、高頻干擾等）引起的雜音.措施: 通過調(diào)整電路（增加濾波器件）進行吸收，如果干擾或底噪比較嚴重，無法通過外圍電路進行解決，則需告知客戶進行改板，優(yōu)化layout來解決。

3)破音

音源失真引起。措施：降低音源增益或更換音源。

功放失真引起。措施：有兩種可能：

a.功放輸出過大，這種問題在客戶端出現(xiàn)最多，有很多客戶為增大音量，將軟件增益調(diào)的很大，導致功放輸出過大，通過調(diào)整增益解決。

b.功放工作不正常導致輸出失真，需查找問題解決。

喇叭不良引起。措施：更換喇叭解決

4)功放發(fā)熱

由于壓電揚聲器所用的功放集成了DC-DC，功放效率會降低，特別是中高頻段，熱損耗加大，功放會有發(fā)熱現(xiàn)象（芯片商在著手改善）.現(xiàn)時解決辦法：對中高頻段進行衰減，降低功放在中高頻段的功率輸出； layout時在PA周圍加大地線進行散熱；PA電路部分加屏蔽罩也有利于散熱。

發(fā)熱現(xiàn)象在手機中比較常見，持續(xù)長時間播放音樂就會出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，通過調(diào)整可以控制在客戶可接受范圍。

5)功放上電啪啪聲

功放上電出現(xiàn)啪啪聲的問題，在功放電路上是很常見的問題，很難徹底解決，目前解決這種問題的方法主要以調(diào)整功放上電和使能腳上電的時序來解決，上電時序：codec靜音——功放上電——使能腳打開，通過這樣的時序調(diào)整一般都可以解決啪啪聲問題。

6)播放音樂時出現(xiàn)閃屏、水波紋

閃屏問題主要由于供電不足引起；水波紋主要由于干擾引起。

解決辦法：功放供電和屏供電不要用同一個LDO端口，避免大電流時屏供電不足引起閃屏；

水波紋主要通過濾波、加大地線分布面積等方法解決。案例綜合

客戶A，現(xiàn)象：喇叭聲音很小。檢查電路：功放輸出很小，檢查分析 后是因為電容和電感用錯料，更換后正常。

客戶B，調(diào)試時音量很小，檢查后是因為codec輸出的信號為左右聲道信號，而客戶將左右聲道信號按照差分輸入方式接入，導致功放輸出很小，將輸入方式改為單端輸入后問題解決。

客戶C，樣機雜音嚴重，經(jīng)查找是因為后殼上與電池蓋連接的金屬彈片振動敲擊電池蓋產(chǎn)生雜音，點膠固定后問題解決。

第三篇：壓電傳感器原理及其應用

壓電傳感器原理及其應用

摘要：壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點。而且除了一些自然界中的晶體材料外，我們還有人工材料壓電陶瓷。它們的應用也十分的廣泛，在聲學、醫(yī)學、力學、宇航、振動測量、機械沖擊都有不錯的涉及。

關(guān)鍵字： 壓電傳感器

壓電原理

應用

壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時發(fā)現(xiàn)的。居里兄弟在研究熱電性與晶體對稱，發(fā)現(xiàn)正負電荷，而且電荷密度與壓力大小成正比。居里兄弟所報道的這些晶體就有后來廣為研究的鐵電體酒石酸鉀鈉（羅息鹽）。1881年，應用熱力學原理預言了逆壓電效應，即電場可以引起與之成正比的應變。很快這一預言被居了里兄弟用實驗所證實了。自發(fā)現(xiàn)壓電效應以來，這種類型的壓電傳感器就廣泛應用于各個領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，壓電傳感器的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝都有了很大的進步。而這些對改善傳感器的性能起到了至關(guān)重要的作用。

一． 壓電傳感器的工作原理

1.壓電原理

一些離子型晶體的電介質(zhì)（如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等）不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。即：在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機械力而產(chǎn)生變形時，就會引起它內(nèi)部正負電荷中心相對轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導致其兩個相對表面（極化面）上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，且其電位移D（在MKS單位制中即電荷密度σ）與外應力張量T成正比；當外力消失，又恢復不帶電原狀；當外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應，或簡稱壓電效應。

基于壓電效應人們研究出一種可以自發(fā)電式和機電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應力。2.壓電材料

在自然界中，大多數(shù)的材料都具有壓電效應，但是十分微弱。隨著人們對壓電材料的不斷研究與發(fā)現(xiàn)，壓電材料性能得以大大的提高。新型壓電材料的研制成功極大地推動了壓電傳感器的進步。從最開始的石英到BaTi03壓電陶瓷，錯欽酸鉛(PZT)壓電陶瓷，再到壓電聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)等新型壓電材料。單晶技術(shù)的進展培育了許多實用化的壓電材料，薄膜工藝的進展為壓電器件的平面化、集成化創(chuàng)造了條件。壓電材料的這一系列進步為設(shè)計大量高性能的壓電元件提供了技術(shù)保障。

二． 壓電傳感器的應用及發(fā)展

1.壓電式測力傳感器

壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好。當采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，可測量準靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結(jié)構(gòu)上基本一樣。例如壓電式單向測力傳感器。該傳感器適用于機床動態(tài)切削力的測量。主體包括絕緣套.基座.電極.石英晶片.上蓋。絕緣套用來絕緣和定位。基座內(nèi)外底面對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴格的要求，否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進行裝配，加蓋之后用電子束封焊。2.壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。

電荷輸出壓電加速度傳感器，采用剪切和中心壓縮結(jié)構(gòu)形式。其原理利用壓電晶體的電荷輸出與所受的力成正比，而所受的力在敏感質(zhì)量一定的情況下與加速度值成正比。在一定條件下，壓電晶體受力后產(chǎn)生的電荷量與所感受到的加速度值成正比。

國內(nèi)在壓電加速度傳感器方面的研究起步較晚，且結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝水平落后于國外。目前國內(nèi)壓電傳感器的主要結(jié)構(gòu)是中心壓縮型，較好的高沖擊壓電加速度傳感器(中心壓縮型)樣機的主要技術(shù)指標為:最大沖擊加速度100,000g，最高頻響8kHz。在壓電加速度傳感器的研制方面，北戴河億柏傳感器技術(shù)研究所和西安204所做得較好。3.壓電傳感器用于報警裝置

玻璃破碎報警裝置它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波。傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。玻璃破碎時會發(fā)出幾千赫茲至幾十千赫茲的振動，使用時將高分子壓電薄膜傳感器粘貼在玻璃上，感受這一振動，然后通過電纜和報警電路相連，將壓電信號傳送給集中報警系統(tǒng)。為了提高報警器的靈敏度，信號經(jīng)放大后，再經(jīng)帶通濾波器進行濾波，要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內(nèi)，這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。只有當傳感器輸出信號高于設(shè)定的閾值時，才會輸出報警信號，驅(qū)動報警執(zhí)行機構(gòu)工作。玻璃破碎報警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其他商品柜臺保管等場合 4.壓電陶瓷應用

壓電陶瓷具有極高的靈敏度，壓電高壓發(fā)生器利用正壓效應可以把振動轉(zhuǎn)換成電能，還可以獲得高電壓輸出。這種獲得高電壓的方法可以用來做引燃裝置，如給汽車火花塞、煤氣灶、打火機、炮彈的引爆壓電雷管等點火。

壓電傳感器發(fā)展迅速，當今世界各國壓力傳感器的研究領(lǐng)域也十分廣泛。歸納起來主要有以下幾個趨勢。（1）小型化。小型化會帶來很多好處，重量輕、體積小、分辨率高，便于安裝 在很小的地方對周圍器件影響小，也利于微型儀器、儀表的配套使用。（2）集成化。壓力傳感器已經(jīng)越 來越多的與其它測量用傳感器集成以形成測量 和控制系統(tǒng)，集成系統(tǒng)在過 程控制和工廠自動化中可以提高操作速度和效率。（3）智能化。由于集成化的出現(xiàn)，在集成電 路中可添加一些微處理器，使得傳 感器具有自動補償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。（4）系統(tǒng)化。單一化產(chǎn)品在市場上沒有大的競爭力。市場風云突變，一旦失去 市場，發(fā)展則停滯不前，經(jīng)濟效益差，資金浪費大，產(chǎn)品成本高。（5）標準化。傳感器的設(shè)計與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標準。如 IEC、ISO 國際標準，美國的 ANSIC、ANSC、MIL-T 和 ASTME 標準，日本 JIS 標準，法國 DIN 標準。

三、總結(jié)

壓電式傳感器，作為傳感器的一種，它具有自己鮮明的特點。而且除了一些自然界中的晶體材料外，我們還有人工材料壓電陶瓷。它們的應用也十分的廣泛，在聲學、醫(yī)學、力學、宇航、振動測量、機械沖擊都有不錯的涉及。

但是，壓電傳感器在擁有眾多優(yōu)點的同時，也存在著許多缺點，展望今后的研究重點，可能會有以下幾個方面：(1)從研究的成果來看，理論研究離工程實用還有一定的差距，工程實用化方面研究也相當薄弱，具體表現(xiàn)在理論及仿真研究較多，而實驗驗證相對較少，研究對象以簡單的梁板結(jié)構(gòu)較多，對復雜結(jié)構(gòu)的研究還相當欠缺。(2)壓電元件非線性特性的研究。由于壓電材料的極化特性，壓電系統(tǒng)只能在一定范圍內(nèi)滿足近似的線性要求，并容易受外界多種環(huán)境的影響。非線性特性的存在使壓電元件重復性差、檢測精度低，瞬態(tài)位置響應速度慢，可控性變差，成為壓電元件進一步工程應用的主要障礙之一。為減小這種非線性特性所造成的不良影響，更好地發(fā)揮壓電元件的性能，國內(nèi)外很多科研機構(gòu)從壓電元件非線性特性形成機理、外環(huán)及內(nèi)環(huán)非線性特性及控制方法等方面開展了相關(guān)研究。(3)壓電材料的壓電特性有待于進一步提高，這使得壓電材料的應用受到極大限制。各國學者正在努力開發(fā)，一旦找到一種優(yōu)異的壓電材料，將會取代傳統(tǒng)的、笨重的機電換能設(shè)備，如電動機、馬達等。到那時，壓電研究將會全方位地發(fā)展，甚至可能影響到我們生活的各個方面。我相信隨著科技的發(fā)展，人工材料會制作的更加完美，壓電式傳感器會更加適合人們的要求。壓電式傳感器和科技將會互相推動互相發(fā)展。

第四篇：SiC材料的制備與應用

SiC材料的制備與應用

摘要:本文主要介紹了SiC材料的制備方法，通過不同制備的方法獲得不同結(jié)構(gòu)的SiC，其中主要有α-SiC、β-SiC和納米SiC。并介紹了SiC材料在材料中的應用。

關(guān)鍵詞：α-SiC；β-SiC；納米SiC； 前言：

SiC 是人造強共價健化合物材料, 碳化硅又稱金鋼砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時需要加食鹽)等原料在電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫冶煉而成。目前我國工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。

2、SiC粉末的合成方法及應用： 2.1 Acheson法生產(chǎn)SiC的進展

經(jīng)過百年發(fā)展, 現(xiàn)代SiC 工業(yè)生產(chǎn)仍采用的是Acheson 間歇式工藝。這是工業(yè)上采用最多的合成方法，即用電將石英砂和焦炭的混合物加熱至2500℃左右高溫反應制得。因石英砂和文章拷貝于華夏陶瓷網(wǎng)焦炭中通常含有Al和Fe等雜質(zhì)，在制成的SiC中都固溶有少量雜質(zhì)。其中，雜質(zhì)少的呈綠色，雜質(zhì)多的呈黑色。目前SiC 冶煉爐改進處于: ①爐體規(guī)模增大;老式冶煉爐長為5～10m ,現(xiàn)在可長至25m ,裝料高達以千噸計;②送電功率增大:現(xiàn)在冶煉爐功率多在3000至7000kW 之間,功率在12 ,000kW的超大型冶煉爐已在我國寧夏北方碳化硅公司正常運行;③電源由交流改為直流,保證了電網(wǎng)安全和穩(wěn)定,操作更方便。

工業(yè)SiC 生產(chǎn)耗能高、對環(huán)境和大氣有污染,且勞動量大。因此歐美發(fā)達國家盡管SiC 用量不斷增大,但生產(chǎn)持續(xù)降低,代以從國外進口,同時加大了高性能SiC 材料的開發(fā)力度。中國、巴西和委內(nèi)瑞拉等發(fā)展中國家的初級SiC 產(chǎn)量已占全世界的65 %以上。傳統(tǒng)的SiC 冶煉爐主要不能完全解決以下環(huán)境問題:(1)CO2、SO2 和扒墻時產(chǎn)生的SiC 粉塵的污染。(2)解決原料悶燃放出的臭氣和石油焦的揮發(fā)份,尤其是燃燒時或燃燒后及扒墻時產(chǎn)生的SO2、H2S 和硫醇類等含硫物質(zhì)和CO 氣體帶來的環(huán)境問題。(3)無法收集冶煉時產(chǎn)生的爐內(nèi)逸出氣體用以發(fā)電或合成氣體。

七十年代德國ESK公司在發(fā)展Acheson 工藝方面取得了突破[2 ]。ESK的大型SiC 冶煉爐建在戶外,沒有端墻和側(cè)墻,直線型或U 型電極位于爐子底部,爐長達60m ,用PE 包封蓋以收集爐內(nèi)逸出氣體(～100 ×206m3 s.t.p),提取硫后將其通過管道輸送到廠區(qū)內(nèi)小型火電廠發(fā)電?？蓽p少污染并節(jié)能20 %。該爐可采用成本低、活性高、易反應的高硫份石油焦和焦碳作為原料,將原料含硫量由傳統(tǒng)SiC 冶煉爐允許的1.5 %提高到5.0 %。Acheson 法制備SiC 的優(yōu)點是原料便宜，方法成熟易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。缺點是粉體質(zhì)量不高:比表面積1～ 15m2/ g , 氧化物含量1wt %左右, 金屬雜質(zhì)含量1 ,400～2 ,800ppm ,依賴于粉碎、酸洗等后繼工藝和手段。

2.2 Acheson 法生產(chǎn)的SiC 的工業(yè)應用

Acheson 法制備的SiC 材料大量應用于磨料、耐火材料、結(jié)構(gòu)陶瓷和煉鋼脫氧劑。在SiC 的諸多用途中,磨料與磨削材料的應用是一重要方向,廣泛用于切割和研磨玻璃、陶瓷、石料、鑄鐵零件、有色金屬材料、硬質(zhì)合金、鈦合金和高速鋼刀具精磨等。碳化硅耐火材料用途十分廣泛:在鋼鐵冶煉中,可用作盛鋼桶內(nèi)襯、水口、高爐爐底和爐腹、加熱爐無水冷滑軌;在有色金屬冶煉中,大量用作蒸餾器、精餾塔托盤、電解槽側(cè)墻、管道、坩鍋;石油化工中用作脫硫爐、油氣發(fā)生器等;陶瓷工業(yè)中大量用作各種窯爐的棚板,隔焰材料等。SiC含量大于90 %的普通耐火材料主要用以制造耐中等高溫的爐窯構(gòu)件;含量大于83 %的低品位耐火材料,主要用于出鐵槽、鐵水包等的內(nèi)襯。SiC 作為脫氧劑具有粒度細小、反應強烈、脫氧時間短、節(jié)約能源、電爐生產(chǎn)率高、脫硫效果好、脫氧成本低等明顯優(yōu)點。國外八十年代前后已普遍使用SiC 做煉鋼脫氧劑,我國始于1985 年,近年來已在鋼鐵企業(yè)普遍使用。我國鋼鐵年產(chǎn)量已達1 億噸左右,每噸鋼鐵需要3～5kg SiC脫氧劑,加上鑄造行業(yè),脫氧劑的年用量巨大。煉鋼用脫氧劑SiC 也是我國重要的出口產(chǎn)品。另外SiC 在取代氧化鋁或石墨密封環(huán)方面應用廣泛,在歐洲年用量約12 ×106 副,美國6 ×106 副,日本為106 副,并有大量增加的趨勢。2.3 SiO2-C還原法

工業(yè)上按下列反應式利用高純度石英砂和焦炭或石油焦在電阻爐內(nèi)產(chǎn)生SiC：

因為是吸熱反應，需使用大量能量。用此法制得的SiC 含量一般為96%左右，顏色有綠色和黑色，SiC含量越高顏色越淺，高純?yōu)闊o色。2.4 氣凝SiO2的碳還原法

在粒度18-22納米的SiO2中加入30-35納米的天然氣炭黑，在1400-1500℃溫度下通氬氣保護，反應即可獲得純的SiC。反應中加入微量SiC粉可抑制SiC晶體的長大。2.5 氣相合成法

在氣相硅的鹵化物中加入碳氫化合物并通入一定量的氫氣，在1200-1800℃的高溫作用下可以制取高純SiC。在這個反應中，碳氫化合物是碳的載體，氫氣作還原劑，同時氫氣還可以抑制在SiC生成過程中游離硅和碳的沉積。3 新型SiC 材料的制備及其應用

隨著先進的分析工具和生產(chǎn)技術(shù)裝備的發(fā)展,人們對SiC 材料的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的研究逐步深入,開發(fā)了一系列新的SiC 制備技術(shù)和新的工業(yè)產(chǎn)品及用途。3.1 β-SiC 微粉

β-SiC 微粉的制取方法很多,主要是八十年代后期發(fā)展起來的溶膠凝膠法、聚合物熱分解法和各種氣相法。氣相法和聚合物熱裂解法低溫合成SiC 微粉的研究已經(jīng)進行多年。在600～1 ,800 ℃下熱裂解CH3-SiH3 已獲得產(chǎn)量很高的無定型SiC 微粉,其比表面積為25m2/ g ,雜質(zhì)總量低于60ppm。能無壓燒結(jié)至很高的密度,是高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料的理想原材料,可作為高溫燃氣輪機的轉(zhuǎn)子、噴嘴、燃燒器,高溫氣體的熱交換器部件,發(fā)動機中的汽缸和活塞等部件,還可作為核反應堆材料及火箭頭部雷達天線罩等。陶瓷燃氣輪機的熱效率比一般燃氣輪機可提高20 %以上[3 ]。德國ESK公司將SiC 作為渦輪增壓器轉(zhuǎn)子裝在汽油發(fā)動機試驗車上,最大轉(zhuǎn)速為96 ,000n/ min ,排氣溫度為1 ,030 ℃,經(jīng)過1 ,000km 的路面試驗,表現(xiàn)出優(yōu)異的響應特性。近年來人們更多地關(guān)注在柴油發(fā)動機上應用陶瓷,SiC主要用做這種陶瓷發(fā)動機的挺柱、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子、渦流式鑲塊等。1985 年,日本NGK廠生產(chǎn)的增壓器轉(zhuǎn)子已投入市場。美國阿貢國家實驗室能源與環(huán)境研究室運輸研究中心預計2000～2010 年汽車發(fā)動機用陶瓷件可占領(lǐng)66 %～90 %的零件市場,總價值超過36 億美元,顯示出十分廣闊的應用前景[4 ]。3.2 化學氣相沉積CVDSiC 基于理論致密結(jié)構(gòu)和高純度(99.999 %)表現(xiàn)出優(yōu)異的物理化學性能已為人們所共知,利用擴散勢壘作原子能材料和熱壓光學鏡頭的模具即是兩例應用。另外,在碳或鎢纖維芯上氣相沉積SiC 已制造出直徑在120μm 的纖維。最近Morton Inter-national Advanced Materials 公司宣布已批量成功地研制出1 ,500mm 寬、25mm 厚的無基底CVD-SiC 薄板,該材料在室溫時熱傳導系數(shù)250W/ m·K, 抗彎強度466GPa ,表面可拋光至亞納米光學精度。其新型應用包括高溫激光光學裝置、密封和耐磨元件、計算機儲存介質(zhì)的基片以及電子包封元件[5 ]。

3.3 SiC 晶須

SiC 晶須是立方SiC 晶體極端各向異性生長的產(chǎn)物,長徑比一般> 10。半徑從幾十分之一到幾微米,長度可至幾百微米,特殊工藝下可達100mm。晶須生長的研究始于六十年代初期,美國Carborundum 公司在研制增強添加劑時發(fā)展了半商業(yè)性工藝,德國ESK公司在批量生產(chǎn)晶須方面也做了大量的努力[6 ]。晶須生長機理有氣相凝聚、氣固相(VS)和氣-固-液反應(VLS)三種。前兩種工藝生成的健康晶須直徑< 3μm ,VLS 工藝生成的晶須直徑為3～5μm ,長度超長者可達100mm。VLS機理,SiC的兩種組成元素由甲烷和一氧化硅提供,在Fe ,Co ,Cr 和Mn 等催化劑的作用下提供足夠的Si 和C 維持反應和沉積使SiC 晶須生長。晶須的拉伸強度和彈性模量分別高達16MPa和580GPa。3.4 SiC 片晶

SiC 片晶基于優(yōu)異的機械性能和較低的商業(yè)成本作為復合材料補強劑引起了極大的研究興趣。六方片狀SiC 晶體生長于Acheson 爐的中心部位,但這種SiC片晶完全混生且晶粒生長過大并不適于用作陶瓷材料補強劑。人們?yōu)楣I(yè)合成分散的小尺寸SiC 片晶做了大量的努力[7 ] ,用少量硼或鋁作擴散促進劑在高溫下合成了10～ > 100μm 的小尺寸SiC 片晶,而硼或鋁又是眾所周知的SiC 燒結(jié)助劑。有添加劑存在的情況下,在β-SiC 微粉中混入適當?shù)腟iO2和C或Si和C于1 ,900～2 ,100 ℃、惰性氣氛中可以得到90 %的α-SiC片晶。SiC片晶的特性和機械性能。實驗表明SiC 片晶在金屬和陶瓷基體復合材料中起到了很好的補強作用。結(jié)論：

SiC 作為一個用途廣泛的工程材料已經(jīng)深入到了人類生活的每一個角落,在數(shù)代科技人員的努力下極大地促進了工業(yè)發(fā)展。隨著對其制備技術(shù)的深入研究,人們將會發(fā)現(xiàn)更多的SiC 新用途并獲得更多的SiC新型工業(yè)產(chǎn)品。未來,用Acheson 法制備[10]的SiC 在產(chǎn)量和規(guī)模上將繼續(xù)占主導地位,廣泛應用在各工業(yè)領(lǐng)域內(nèi),同時利用其獨特的物理化學性能,繼續(xù)開發(fā)出象煉鋼脫氧劑等對基礎(chǔ)工業(yè)有重大影響的用途。為滿足燒結(jié)高致密、高強度、高性能陶瓷材料并使之應用在高技術(shù)工業(yè)領(lǐng)域,新型的高技術(shù)SiC 制備技術(shù)也會迅速蓬勃發(fā)展起來。降低成本、完善工藝,并與后續(xù)制備技術(shù)如燒結(jié)等相適應,在經(jīng)濟和效果上取得最佳成效是其方向。在電子器件應用方面也會獲得更大的發(fā)展。

第五篇：超導材料應用與制備概況

超導材料制備與應用概述

摘要：新型超導材料一直是人類追求的目標。本文主要從超導材料的性質(zhì)，制備，應用等方面探索超導材料科學的發(fā)展概況。隨著高溫超導材料制備方法的不斷成熟，超導材料將越來越多的應用于尖端技術(shù)中去，超導材料的應用將給電工技術(shù)帶來質(zhì)的飛躍，因此，超導材料技術(shù)有著重大的應用發(fā)展?jié)摿?，可解決未來能源，交通，醫(yī)療和國防事業(yè)中的重要問題。

關(guān)鍵詞：超導材料 強電應用 弱電應用 超導制備 1.引言

1911年荷蘭科學家onnes發(fā)現(xiàn)純水銀在4.2K附近電阻突然消失，接著發(fā)現(xiàn)其他一些金屬也有這樣的現(xiàn)象，隨著人們在Pb和其它材料中也發(fā)現(xiàn)這種性質(zhì)：在滿足臨界條件（臨界溫度Tc，臨界電流Ic，臨界磁場Hc）時物質(zhì)的電阻突然消失，這種現(xiàn)象稱為超導電性的零電阻現(xiàn)象。只是直流電情況下才有零電阻現(xiàn)象，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)開拓了一個嶄新的物理領(lǐng)域。

超導材料具有1）零電阻性2）完全抗磁效應3）Josephson效應。這些性質(zhì)的研究與應用使得超導材料的性能不斷優(yōu)化，實現(xiàn)超導臨界溫度也越來越高。一旦室溫超導達到實用化、工業(yè)化，將對現(xiàn)代科學技術(shù)產(chǎn)生深遠的影響。

2.超導材料主要制備技術(shù)

控制和操縱有序結(jié)晶需要充分了解原子尺度的超導相性能。有序、高質(zhì)量晶體的超導轉(zhuǎn)變溫度較高 ,晶體質(zhì)量往往強烈依賴于合成技術(shù)和條件。目前，常用作制備超導材料的技術(shù)主要有： 2.1.1單晶生長技術(shù)

新超導化合物單晶樣品有多種生長方法。溶液生長和氣相傳輸生長法是制備從金屬間氧化物到有機物各類超導體的強有力工具。溶液生長的優(yōu)點就是其多功能性和生長速度 ,可制備出高純凈度和鑲嵌式樣品。但是 ,它并不能生產(chǎn)出固定中子散射實驗所需的立方厘米大小的樣品。浮動熔區(qū)法常用來制備大尺寸的樣品 ,但局限于已知的材料。這種技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的一些超導氧化物單晶生長的主要技術(shù)。這種技術(shù)使La2-xSr xCuO4晶體生長得到改善 ,允許對從未摻雜到高度摻雜各種情況下的細微結(jié)構(gòu)和磁性性能進行細致研究。在T1Ba 2Ca2Cu3O9+d 和Bi2Sr2CaCu2O8中 ,有可能削弱無序的影響從而提高臨界轉(zhuǎn)變溫度。最近汞基化合物在晶體生長尺寸上取得的進展 ,使晶體尺寸較先前的紀錄高出了幾個數(shù)量級。但應該指出的是即使是高 Tc的化合物 ,利用溶液生長技術(shù)也可制備出高純度的YBCO等單晶。

2.1.2高質(zhì)量薄膜技術(shù)

目前 ,薄膜超導體技術(shù)包括活性分子束外延(MBE)、濺射、化學氣相沉積和脈沖激光沉積等。MBE能制造出足以與單個晶體性能相媲美的外延超導薄膜。在晶格匹配的單晶襯底上生長的外延高溫超導薄膜 ,已經(jīng)被廣泛應用于這些材料物理性質(zhì)的基礎(chǔ)研究中。在許多實驗中薄膜的幾何性質(zhì)擁有它的優(yōu)勢 ,如可用光刻技術(shù)在薄膜上刻畫細微的特征;具備合成定制的多層結(jié)構(gòu)或超晶格的潛能。

在過去的 20年里 ,多種高溫超導薄膜生長技術(shù)快速發(fā)展。有些技術(shù)已經(jīng)適用于其它超導體的制備。目前所使用主要方法有濺射和激光燒蝕（脈沖激光沉積）。類似分子束外延這種先進薄膜生長技術(shù)也已經(jīng)發(fā)展得很好。臭氧或氧原子用來實現(xiàn)超高真空條件下的充分氧化。這使得生長的單晶薄膜的性能已接近乃至超過塊狀晶體。如 LSCO單晶薄膜的 T =51.5 K,比塊狀晶體（Tc <40 K）要高 ,外延應力是產(chǎn)生這種強化現(xiàn)象的部分原因。

3.超導材料制備的新探索

發(fā)現(xiàn)新型超導體最直接的方法是研究相空間并實施一系列系統(tǒng)探索來發(fā)現(xiàn)新的化合物 ,可通過鑒別成分空間中有希望的區(qū)域和快速檢測該區(qū)域盡可能多的化合物的方法來實現(xiàn)。通過這樣的研究,在 20世紀50到 60年代產(chǎn)出了很多金屬間超導體 ,這些超導體還需要在三相或更高相空間中再繼續(xù)研究。此外 ,繼續(xù)尋找異常形態(tài)的超導材料也是很重要的。3.1先進合成與摻雜技術(shù)

3.1.1極端條件下的合成技術(shù)

經(jīng)驗上講 ,超導性常常表現(xiàn)得和結(jié)構(gòu)上的相轉(zhuǎn)變聯(lián)系緊密;事實上 ,有許多超導體是亞穩(wěn)態(tài) ,需要在高溫高壓下合成。此外 ,合成新化合物所需的許多元素具有非常高的揮發(fā)性活性和難熔性 如 Li、B、C、Mg、P、S、Se、Te ,而且要在非常特殊的環(huán)境下才能成功合成。大尺寸單晶生長技術(shù) ,特別是用于固定中子散射實驗的關(guān)鍵材料的合成技術(shù)應進一步發(fā)展。

3.1.2合成與表征組合技術(shù)

對新型超導化合物的系統(tǒng)性組合探索可基于薄膜沉積技術(shù)。一種方法是利用掩膜技術(shù)制備微小均質(zhì)區(qū)域。利用連續(xù)相涂敷法(Continuousphase spread method)以及使用多種源或靶材在襯底上形成不同的薄膜成分。磁場調(diào)制光譜(Magnetic Field Modulated Spectroscopy),MFMS ,是一種非常敏感而快速的超導檢測技術(shù) ,可用于高產(chǎn)量的表征方法。合成與表征組合技術(shù)需要進一步完善,以在更大范圍內(nèi)應用來尋求具有理想性能的新型超導體。3.1.3原子層工程、人造超晶格技術(shù)

薄膜沉積技術(shù)的迅速發(fā)展為化學和材料科學突破體相平衡的限制提供了機遇。拓展相界、獲得新亞穩(wěn)態(tài)和微結(jié)構(gòu)、創(chuàng)造多層結(jié)構(gòu)、施加大的面內(nèi)應力以及獲得不同排列體系間的平滑界面都因此成為可能。單晶多層結(jié)構(gòu)使材料具有不同的界面性能 ,不會受到污染物的干擾。在界面處各種電荷移動和自旋態(tài)的相互影響會產(chǎn)生新電子結(jié)構(gòu)。與界面原子層工程一樣 ,改變相鄰絕緣體的組成和結(jié)構(gòu) ,為利用外延應力和穩(wěn)定性來調(diào)整界面結(jié)構(gòu)的超導性提供了多種可能。3.1.4場效應摻雜和光摻雜技術(shù)

化學摻雜是在銅酸鹽等化合物超導體中實現(xiàn)金屬和超導態(tài)所必需的 ,但它的缺點是會同時產(chǎn)生無序狀態(tài)。這種無序狀態(tài)不僅使人難以區(qū)分內(nèi)在和外在特性 ,而且實際上還削弱了超導性能。此外 ,在多數(shù)情況下化學摻雜量是不可調(diào)的 ,每種組成都需要一個單獨的樣品。場效應摻雜和光摻雜通過外加強電場或強光照射引入電荷載體 ,從而避免了這些弊端。使用這兩種摻雜 ,可連續(xù)地調(diào)節(jié)單個樣品的摻雜量而不會誘發(fā)化學無序狀態(tài)。這一方法在從配合物中尋找新的超導體方面有很大的潛力。3.2 納米尺度超導材料

新型超導體的設(shè)計和研究面臨挑戰(zhàn)是難以控制的化學合成工藝參數(shù)。最有希望發(fā)展的就是可控制的納米新型高溫超導材料。開發(fā)新的納米尺度的高溫超導體 ,可增進機械穩(wěn)定性、耐化學腐蝕性等。雖然這些性能已單獨得到證明 ,但把它們?nèi)亢铣芍羻我坏牟牧掀骷蛳到y(tǒng)中仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。在高溫超導材料中 ,很多基本長度尺寸是處于納米量級的(如單晶疇)大小、相干長度等 ,因此關(guān)于納米尺寸結(jié)構(gòu)的實驗性研究對幫助人們了解微觀機制具有相當?shù)闹匾浴?.3 超導材料制備相關(guān)問題

塊體樣品、單晶方面的關(guān)鍵性公開問題包括:提高各種有機超導、重費密子超導等非常規(guī)超導體樣品的純度;了解和消除樣品的依賴性;了解和控制缺陷、雜質(zhì)及無序?qū)悠返挠绊?改進各類材料的 Jc、Hc2和 Tc以及大尺寸單晶生長問題。要處理好這些問題 ,要改進現(xiàn)有的晶體生長技術(shù)并創(chuàng)造新的技術(shù)。新的助熔劑、輸運劑以及新的溫度、溫度梯度、成核控制方法將提高人們對樣品的大小、品質(zhì)和可重復性的控制能力。對于各類超導薄膜 ,最基本的問題是襯底表面的制備以及對薄膜生長的影響 ,對這些問題的深入了解將使薄膜沉積條件具有更好的可重復性 ,對薄膜的合成控制更加優(yōu)良。隨著越來越多的超導化合物被引入薄膜材料的范疇 ,人們需要進一步改進薄膜的合成和表征技術(shù)。在薄膜的成核、生長和界面方面 ,應實現(xiàn)原子級的控制 ,最終目標是在如絕緣-超導這種多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)中制造出潔凈的界面。4.超導材料的應用

4.1強電應用 4.1.1 超導輸電電纜

我國電力資源和負荷分布不均,因此長距離、低損耗的輸電技術(shù)顯得十分迫切。超導材料由于其零電阻特性以及比常規(guī)導體高得多的載流能力,可以輸送極大的電流和功率而沒有電功率損耗。超導輸電可以達到單回路輸送GVA級巨大容量的電力,在短距離、大容量、重負載的傳輸時,超導輸電具有更大的優(yōu)勢。低溫超導材料應用時需要液氦作為冷卻劑,液氦的價格很高,這就使低溫超導電纜喪失了工業(yè)化應用的可行性。若使用高溫超導材料作為導電線芯制造成超導電纜,就可以在液氮的冷卻下無電阻地傳送電能。高溫超導電纜的出現(xiàn)使超導技術(shù)在電力電纜方面的工業(yè)應用成為可能。目前,市場上可以得到并可用來制造高溫超導電纜的材料主要是銀包套鉍系多芯高溫超導帶材,其臨界工程電流密度大于10kA/cm2。高溫超導電纜以其尺寸較小、損耗低、傳輸容量大的優(yōu)勢,可用于地下電纜工程改造,以高溫超導電纜取代現(xiàn)有的常導電纜,可增加傳輸容量。高溫超導電纜另一重要應用場合是可在比常導電纜較低的運行電壓下將巨大的電能傳輸進入城市負荷中心。由于交流損耗的緣故,利用高溫超導材料制備直流電纜比制備交流電纜更具優(yōu)勢。利用超導技術(shù),通過設(shè)計實用的直流傳輸電纜和有效的匹配系統(tǒng),從而實現(xiàn)高效節(jié)能低壓大容量直流電力輸系統(tǒng)。

圖1 CD高溫超導電纜示意圖

美國是最早發(fā)展高溫超導電纜技術(shù)的國家。1999年底,美國outhwire公司、橡樹嶺國家試驗室、美國能源部和IGC公司聯(lián)合開發(fā)研制了長度為30m、三相、12.5kV/1.26kA的冷絕緣高溫超導電纜,并于2000年在電網(wǎng)試運行,向高溫超導技術(shù)實用化邁出了堅實的一步。目前,世界上報道的能制備百米量級長度的超導電纜僅有日本和美國。在歐洲如法國、瑞典的電力公司有十米量級的超導電纜計劃。

4.1.2超導變壓器

超導變壓器一般都采用與常規(guī)變壓器一樣的鐵芯結(jié)構(gòu),僅高、低壓繞組采用超導繞組。超導繞組置于非金屬低溫容器中,以減少渦流損耗。變壓器鐵芯一般仍處在室溫條件下。超導變壓器具有損耗低、體積小,效率高(可達99%以上)、極限單機容量大、長時過載能力強(可達到額定功率的2倍左右)等優(yōu)點。同時由于采用高阻值的基底材料,因此具有一定的限制故障電流作用。一般而言,超導變壓器的重量(鐵芯和導線)僅為常規(guī)變壓器的40%甚至更小,特別是當變壓器的容量超過300MVA時,這種優(yōu)越性將更為明顯。圖2為美國Waukesha公司在1997年就研制了1MVA的超導變壓器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 2超導變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 4.1.3超導儲能

人類對電力網(wǎng)總輸出功率的要求是不平衡的。即使一天之內(nèi) ,也不均勻。利用超導體 ,可制成高效儲能設(shè)備。由于超導體可以達到非常高的能量密度 ,可以無損耗貯存巨大的電能。這種裝置把輸電網(wǎng)絡(luò)中用電低峰時多余的電力儲存起來 ,在用電高峰時釋放出來 ,解決用電不平衡的矛盾。美國已設(shè)計出一種大型超導儲能系統(tǒng) ,可儲存5000 兆瓦小時的巨大電能 ,充放電功率為 1000 兆瓦 ,轉(zhuǎn)換時間為幾分之一秒 ,效率達 98 %,它可直接與電力網(wǎng)相連接 ,根據(jù)電力供應和用電負荷情況從線圈內(nèi)輸出 ,不必經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換過程。

圖3 超導儲能器一次系統(tǒng)簡圖

4.1.4超導電機

在大型發(fā)電機或電動機中 ,一旦由超導體取代銅材則可望實現(xiàn)電阻損耗極小的大功率傳輸。在高強度磁場下 ,超導體的電流密度超過銅的電流密度 ,這表明超導電機單機輸出功率可以大大增加。在同樣的電機輸出功率下 ,電機重量可以大大下降。美國率先制成 3000 馬力的超導電機 ,我國科學家在20 世紀 80 年代末已經(jīng)制成了超導發(fā)電機的模型實驗機。

圖4 兩種發(fā)電機尺寸的比較

4.1.5超導故障限流器

超導故障電流限制器(簡稱SFCL)主要是利用超導體在一定條件下發(fā)生的超導態(tài)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變,快速而有效地限制電力系統(tǒng)中短路故障電流的一種電力設(shè)備。該設(shè)想是在上世紀70年代提出的,到1983年法國阿爾斯通公司研制出交流金屬系超導線后,各研究機構(gòu)才開始著手開發(fā)SFCL產(chǎn)品?，F(xiàn)已有中壓級樣品掛網(wǎng)運行,國外樂觀估計可望在10年或更長的時間內(nèi)開始投入市場。

圖5感應屏蔽型超導故障電流限制器原理圖

用超導材料制成的限流器有許多優(yōu)點:1）它的動作時間快,大約幾十微妙;2）減少故障電流，可將故障電流限制在系統(tǒng)額定電流兩倍左右,比常規(guī)斷路器開斷電流小一個數(shù)量級;3）低的額定損耗;4）可靠性高 ,它是一類“永久的超保險絲”;5）結(jié)構(gòu)簡單 ,價格低廉。4.2弱電應用

4.2.1無損檢測

無損檢測是一種應用范圍很廣的探測技術(shù) ,其工作方式有;超聲探測、X光探測及渦流檢測技術(shù)等。SQUID 無損檢測技術(shù)在此基礎(chǔ)上

發(fā)展起來。SQUID 磁強計的磁場靈敏度已優(yōu)于100ft ,完全可以用于無損檢測。由于 SQUID 能在大的均勻場中探測到場的微小變化 ,增加了探測的深度 ,提高了分辨率 ,能對多層合金導體材料的內(nèi)部缺陷和腐蝕進行探測和確定 ,這是其他探測手段所無法辦到的。工業(yè)上用于探測導體材料的缺陷、內(nèi)部的腐蝕等 ,軍事上可能于水雷和水下潛艇等的探測。4.2.2超導微波器件在移動通信中的應用

移動通信業(yè)蓬勃發(fā)展的同時 ,也帶來了嚴重的信號干擾 ,頻率資源緊張 ,系統(tǒng)容量不足 ,數(shù)據(jù)傳輸速率受限制等諸多難題。高溫超導移動通信子系統(tǒng)在這一背景下應運而生 ,它由高溫超導濾波器、低噪聲前置放大器以及微型制冷機組成。高溫超導子系統(tǒng)給移動通信系統(tǒng)帶來的好處可以歸納為以下幾個方面: 1）提高了基站接收機的抗干擾的能力;2）可以充分利用頻率資源 ,擴大基站能量;3）減少了輸入信號的損耗 ,提高了基站系統(tǒng)的靈敏度 ,從而擴大了基站的覆蓋面積;4）改善通話質(zhì)量 ,提高數(shù)據(jù)傳輸速度;5）超導基站子系統(tǒng)帶來了綠色的通信網(wǎng)絡(luò)。

4.2.3超導探測器

用超導體檢測紅外輻射 ,已設(shè)計制造了各種樣式的高 TC超導紅外探測器。與傳統(tǒng)的半導體探測比較 ,高 TC超導探測器在大于 20微米的長波探測中將為優(yōu)良的接受器件 ,填充了電磁波譜中遠紅外至毫來波段的空白。此外 ,它還具高集成密度、低功率、高成品率、低價格等優(yōu)點。這一技術(shù)將在天文探測、光譜研究、遠紅外激光接收和軍事光學等領(lǐng)域有廣泛應用。4.2.4超導計算機

超導器件在計算機中運用 ,將具有許多明顯的優(yōu)點: 1）器件的開關(guān)速度快;2）低功率;3）輸出電壓在毫伏數(shù)量級 ,而輸出電流大于控制線內(nèi)的電流 ,信號檢測方便。同時 ,體積更小 ,成本更低;另外,信號準確無畸變。

5.超導磁體

由于能無電損耗地提供大體積的穩(wěn)定強磁場 ,超導磁體成為低溫超導應用的主要方向 ,經(jīng)過四十年的持續(xù)努力 ,按照實際需求設(shè)計、研制、建造 15 萬高斯以內(nèi) ,不同磁場形態(tài)與各種體積的低溫超導磁體技術(shù)已經(jīng)成熟 ,有關(guān)導線與磁體的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成。低溫超導磁體應用的一個重大障礙在于要創(chuàng)造與維持液氦溫度（118～412K）的工作環(huán)境 ,需要有相應的低溫制冷裝備與運行維護工作。圖6 制冷裝備相對投資與運行溫度的關(guān)系曲線

高臨界溫度超導體的出現(xiàn)使人們看到了提高運行溫度的可能性 ,從而激發(fā)了發(fā)展高臨界溫度超導磁體的積極性。發(fā)展高臨界溫度超導磁體的主要問題在于迄今已能生產(chǎn)的鉍系實用導線的強磁場下的性能在高運行溫度下還難于與低溫超導線相比及價格高 ,圖 7示出了鉍系實用導線在不同溫度與磁場下的臨界電流 性 能 曲 線 , 77K、0 T 時臨界電流密度I ≈50kA/cm2。由圖6可見 ,在 77K時 ,最高僅能產(chǎn)生10-1 特斯拉的超導磁場 ,當要求磁場高于 1 特斯拉時 ,運行溫度需低于20～50K,從圖 6所示制冷裝備投資看仍有著重要意義 ,前述的超導同步電機激磁繞組就屬于此范圍。值得注意的還有 ,若運行溫度仍保持在4.2K,Bi-2223 導線在近40T強場下仍能保持約100kA/cm2 的臨界電流密度 ,從而可用于產(chǎn)生更高的超導強磁場。

圖7 Bi-2223實用導線的臨界電流性能(B∥帶面)5.1 超導懸浮列車

由于超導體具有完全抗磁性，在車廂底部裝備的超導線圈，路軌上沿途安放金屬環(huán)，就構(gòu)成懸浮列車。當列車啟動時，由于金屬環(huán)切割磁力線，將產(chǎn)生與超導磁場方向相反的感生磁場。根據(jù)同性相斥原理，列車受到向上推力而懸浮。超導懸浮列車具有許多的優(yōu)點：由于它是懸浮于軌道上行駛，導軌與機車間不存在任何實際接觸，沒有摩擦，時速可達幾百公里；磁懸浮列車可靠性大，維修簡便，成本低，能源消耗僅是汽車的一半、飛機的四分之一；噪聲小，時速達300公里/小時，噪聲只有65分貝；以電為動力，沿線不排放廢氣，無污染，是一種綠色環(huán)保的交通工具。

圖8 日本研制的磁浮列車用高溫超導磁體系統(tǒng)

5.2磁懸浮軸承

高速轉(zhuǎn)動的部位 ,由于摩擦的限制 ,轉(zhuǎn)速無法進一步提高。利用超導體的完全抗磁性可制成懸浮軸承。磁懸浮軸承是采用磁場力將轉(zhuǎn)軸懸浮。由于無接觸 ,因而避免了機械磨損 ,降低了能耗 ,減小了噪聲 ,具有免維護、高轉(zhuǎn)速、高精度和動力學特性好的優(yōu)點。磁懸浮軸承可適用于高速離心機、飛輪儲能、航空陀螺儀等高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。5.3電子束磁透鏡

在通常的電子顯微鏡中 ,磁透鏡的線圈是用銅導線制成的 ,場強不大 ,磁場梯度也不高 ,且時間穩(wěn)定性較差 ,使得分辨率難以進一步提高。運用超導磁透鏡后 ,以上缺點得到了克服目前超導電子顯微鏡的分辨已達到 3 埃 ,可以直接觀察晶格結(jié)構(gòu)和遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu) ,已成為科學和生產(chǎn)部門強有力的工具。6展望與建議

自從超導材料制備技術(shù)不斷成熟并逐步產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)以來 ,近十年來高臨界溫度超導應用得到了良好的發(fā)展 ,在超導電纜、超導限流器與超導變壓器等電力應用方面 ,研制成功多臺樣機，人類在 21 世紀前期將迅速進入超導應用的新時代。從超導材料的發(fā)展歷程來看，新的更高轉(zhuǎn)變溫度材料的發(fā)現(xiàn)及室溫超導的實現(xiàn)都有可能。單晶生長及薄膜制造工藝技術(shù)也會取得重大突破，但超導材料的基礎(chǔ)研究還面臨一些挑戰(zhàn)。目前超導材料正從研究階段向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。隨著高溫超導材料的開發(fā)成功，超導材料將越來越多地應用于尖端技術(shù)中，因此超導材料技術(shù)有著重大的應用發(fā)展?jié)摿Γ山鉀Q未來能源、交通、醫(yī)療和國防事業(yè)中的重要問題。

參考資料：

[1]嚴仲明,董 亮.超導技術(shù)在電工領(lǐng)域的應用[J ].電工材料，2007，（2）：23-27.[2]嚴陸光.高臨界溫度超導應用的進展與展望[J ].電工電能新技術(shù)，2006，25（1）.[3]宗曦華，張喜澤.超導材料在電力系統(tǒng)中的應用[J ].電線電纜，2006,20（2）：98-101.[4]馮瑞華，姜山.超導材料的發(fā)展與研究現(xiàn)狀[J].低溫與超導，2007,35（6）：520-526.[5 ]錢廷欣，周雅偉.新型超導材料的研究進展[J ].材料導報，2006,20（2）：98-101.[6]張穎，陳浩乾.超導電性及其材料的應用與進展[J].廣東化工，2008,35（12）：74-77.[7]楊天信 ,謝毅立.我國高溫超導技術(shù)研究現(xiàn)狀[J ].中國電子科學研究院學報，2008,3（2）：122-127.[8]楊 勇.超導技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應用[J ].電網(wǎng)技術(shù)，2001,25（9）：48-50.[9]竇華.超導材料的應用[J].內(nèi)蒙古電大學刊，2004,（2）:55-56.[10]楊公安，蒲永平.超導材料研究進展及其應用[J ].陶 瓷，2009（7）：56-59.[ 11]姚文新.超導材料與技術(shù)國外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J ].產(chǎn)業(yè)前沿，2003,（121）：25-28.[ 12]K．Inoue，A.Kuchi.A new practical superconductor:rapidly heated and quenched Nb3Ga wire[J ].Physica C,2003,(384):267-273.