压电陶瓷在超声中的作用是什么？

压电陶瓷是一类具有智能特性的材料，表现出压电效应：在受到机械应力时产生电荷（直接压电效应），以及在暴露于电场时发生机械变形（逆压电效应）。这些特性使它们在 超声换能器, 中不可或缺，超声换能器将电能转换为超声波，反之亦然。本文探讨了压电陶瓷的历史、原理、功能及应用，特别关注其在超声焊接技术中的关键作用。.

压电陶瓷用于超声

历史发展

压电陶瓷的故事始于1880年，当时法国物理学家皮埃尔和雅克·居里在石英晶体中发现了压电效应。然而，像石英这样的天然材料由于其较低的压电系数，应用有限。直到20世纪40年代，合成压电陶瓷的开发带来了突破， 钛酸钡（BaTiO₃）, 成为第一种合成压电陶瓷。这种材料具有更高的压电活性，并且可以被塑造成各种形状，彻底改变了声纳和早期超声设备等行业。.
在20世纪50年代，研究人员开发了 锆钛酸铅（PZT）, ，它是铅锆酸（PbZrO₃）和铅钛酸（PbTiO₃）的固溶体。PZT陶瓷表现出比钛酸钡更优越的压电性能，成为超声换能器的行业标准。如今，PZT仍是最广泛使用的压电材料，尽管像 钾钠铌酸盐（KNN） 和 和 铁电铁（BiFeO₃）.

等新型组成材料正作为无铅替代品出现，以应对环境问题。

工作原理 陶瓷中的压电效应源于其. 晶体结构 。在自然状态下，压电陶瓷晶体是随机取向的，导致没有净极化。在制造过程中，陶瓷被加热至其 居里温度 极化, 使晶体畴对齐，形成永久极化。.
当外部机械应力（例如压力）施加到极化陶瓷上时，晶体结构发生变形，导致正负电荷发生位移。这种电荷的分离在材料上产生电压—— 压电效应. 。相反，当施加电场时，陶瓷会发生尺寸变化（膨胀或收缩）—— 逆压电效应. 。这种双向能量转换是超声换能器工作的基础。.
压电效应原理

超声换能器的关键功能

在 超声换能器, 中，压电陶瓷板或元件作为核心部件，负责：
  1. 产生超声波: 当交流电（AC信号）施加到陶瓷元件上时，它以相同频率振动，产生超声波。这些波在超声清洗、焊接和医学成像等应用中使用。.
  2. 接收超声信号: 反之，当超声波击中陶瓷元件时，会产生微弱的电信号。这一功能在超声检测（NDT）和声纳系统等应用中至关重要，用于检测和分析回波。.
  3. 频率调谐: 陶瓷元件的谐振频率决定换能器的工作频率。通过调整陶瓷的尺寸和成分，制造商可以定制换能器以适应特定应用，从低频焊接（20-40 kHz）到高频医学成像（2-20 MHz）。.

应用

压电陶瓷在众多行业中发挥着重要作用，其中 超声焊接 特别重要的应用之一：

工业制造与焊接应用

超声塑料焊接机2000iq

超声波塑料焊接机

超声金属焊接机焊丝硬度

超声波金属焊接机

超声打结与缝合

超声波切割系统

其他应用领域

  • 医疗领域: 超声成像设备利用压电陶瓷的双向转换特性进行非侵入性内部器官检测。高强度聚焦超声（HIFU）技术用于肿瘤治疗和肾结石碎石。.
  • 消费电子: 智能手机相机的自动对焦功能、超声波指纹识别技术以及超声波清洗器的高效清洁能力都依赖于压电陶瓷的精确控制。.
  • 无损检测（NDT）: 在航空航天和管道检测中，压电陶瓷换能器用于检测材料内部缺陷，以确保结构安全。.

结论

压电陶瓷是超声波换能器技术的基石，在现代工业和技术进步中发挥着关键作用。特别是在 超声焊接, 中，它们高效的能量转换、精确的频率控制和环保的加工方法使其成为连接塑料、金属和复合材料的理想选择。随着材料科学的不断发展，新型无铅压电陶瓷的研发与应用将进一步推动超声波焊接技术向更高的精度、更高的效率和更可持续的方向发展，为汽车制造、电子封装和医疗器械生产等行业带来突破性创新。.

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