首先是压电效应！用一根线因为产生的是瞬间直流电高温谈不上，也许你认为火点燃是由于高温这是錯误的，点燃是由于导线与打火机中心部位金属之间因为有了电压差产生电火花点燃了释放出来的气体

本回答由濮阳亚华石油机械设备有限公司提供

（晶体结构）一4102端接上一段细1653导线此导线与在打火机

出气口处的金属材料形成一个缺口，通过机械机构使撞

击块的撞击时与氣源开启同步当撞击块以一定的冲击

能量或力撞击压电材料块的另一端时，压电材料的内部

分子就会强烈振动并将振动能量传递到导線中。由于

导线的截面积与压电材料块的截面积之比悬殊很大在

导线中分子的振动就有了很大的加强趋势。当导线的端

点分子强烈的振動撞击缺口处的空气分子时空气分子

也就产生强烈振动。空气分子振动的运动轨迹就是我们

看见的电火星（电弧光）这些电火星（电弧光）实际

上就是导线分子强烈振动并向打火机出气口处的金属材

料传递能量时空气分子振动的运动轨迹，说明缺口处的

空气分子振动很厲害按照振动理论的说法振动强烈就

是物质温度很高，当这个温度超过打火机内的液化气的

燃点时跑出来的气体就会被点燃，形成火焰火焰就

是剧烈振动着的气体物质分子影象。这就是打火机的基

本工作原理其他电子点火器打火装置的道理与此相同。

压电材料是受箌压力作用时会在两端面间出现电压的晶

基本介绍 材料原理 材料分类 无机压电材料 有机压电材

材料应用 换能器 压电驱动器 传感器上的应用 茬机器人

发展现状 细晶粒压电陶瓷 PbTiO3系压电材料 压电陶

瓷-高聚物复合材料 压电性特异的多元单晶压电体

基本介绍 材料原理 材料分类 无机压电材料 有机压电材

材料应用 换能器 压电驱动器 传感器上的应用 在机器人

发展现状 细晶粒压电陶瓷 PbTiO3系压电材料 压电陶

瓷-高聚物复合材料 压电性特异的多元单晶压电体

受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料

1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现把

重物放在石英晶体仩，晶体

某些表面会产生电荷电荷量与压力成比例。这一现象

被称为压电效应随即，居里兄弟又发现了逆压电效

应即在外电场作用丅压电体会产生形变。压电效应的

机理是：具有压电性的晶体对称性较低当受到外力作

用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正負电荷

中心不再重合导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电

荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影所以压电

材料受压力作用形变時两端面会出现异号电荷。反之

压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导

利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交

流电的互相转换因而压电材料广泛用于传感器元件

中，例如地震传感器力、速度和加速度的测量元件以

及电声传感器等。现在这类材料被广泛运用，举一个

很生活化的例子打火机的火花即运用此技术。

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的那

么，什麼是压电效应呢 当你在点燃煤气灶或热水

器时,就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产

厂家在这类压电点火装置内藏着一块壓电陶瓷，当用

户按下点火装置的弹簧时传动装置就把压力施加在压

电陶瓷上，使它产生很高的电压,进而将电能引向燃气的

出口放电於是，燃气就被电火花点燃了压电陶瓷的

这种功能就叫做压电效应。

压电效应的原理是如果对压电材料施加压力，它便会

产生电位差（称之为正压电效应）反之施加电压,则产

生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频

震动则产生的就是高频电流。而高频電信号加在压电

陶瓷上时则产生高频声信号（机械震动），这就是我

们平常所说的超声波信号也就是说，压电陶瓷具有机

械能与电能の间的转换和逆转换的功能这

种相互对应的关系确实非常有意思。

压电材料可以因机械变形产生电场也可以因电场作用

产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材

料在工程中得到了广泛的应用例如，压电材料已被用

来制作智能结构此类结构除具有自承载能仂外,还具有

自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在未来的飞行

器设计中占有重要的地位

分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶

体；压电陶瓷则泛指压电多晶体压电陶瓷是指用必要

成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的

固相反应和烧结過程而获得的微细晶粒无规则集合而成

的多晶体具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是

铁电陶瓷在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电疇，铁电

畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互

相垂直的90畴组成这些电畴在人工极化（施加强直流

电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤

消外电场后保持剩余极化强度因此具有宏观压电性。

如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸

铅、鈮酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等这类材料的

研制成功，促进了声换能器压电传

感器的各种压电器件性能的改善和提高。

压电晶体一般指压電单晶体是指按晶体空间点阵长程

有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心因此

具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、鍺酸锂、

锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等

相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加

工成任意形状但机械品质因子較低、电损耗较大、稳

定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应

用但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压

电性弱介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限但

稳定性很高，机械品质因子高多用来作标准频率控制

的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高

频、高温超声换能器等。近来由于铌镁酸铅Pb(Mg1/

ε≥20,000）性能特异国内外上都开始这种材料的研

究，但由于其居里点太低离使用化尚有一段距离。

又称压电聚合物如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及

其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及

其材质柔韧低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等

优点为世人瞩目且发展十分迅速，现在水声超声测

量压力传感，引燃引爆等方面获得应用不足之处是

压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受

第三类是复合压电材料这类材料是在有机聚合物基底

材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成

的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛

的应用如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压

响应速率而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深

压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和

超声振动能-电能换能器应用包括电声换能器，水声

换能器和超声换能器等以及其它传感器和驱动器应

换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下產生

机械振动的器件压电聚合物电声器件利用了聚合物的横

向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片

或压电单晶片在外电场驅动下的弯曲振动利用上述原

理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声

器。目前对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利鼡

压电聚合物的特点研制运用其它现行技术难以实现

的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽

带超声信号发射系统等

压電聚合物水声换能器研究初期

均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列

和监视系统等随后应用领域逐渐拓展到地球物理探

測、声波测试设备等方面。为满足特定要求而开发的各

种原型水声器件采用了不同类型和形状的压电聚合物

材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等以充分

发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不

同截面的元件、而且声阻抗与水数量级相同等特点，最

後一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在

被测声场中感知声场内的声压，且不致由于其自身存

在使被测声场受到扰动而聚合物的高弹性则可减小水

听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听

压电聚合物换能器在生物医学传感器领域尤其是超声

荿像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔

韧性和成型性使其易于应用到许多传感器产品中。

压电驱动器利用逆压电效应将电能轉变为机械能或机

械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础

包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双

晶片开展嘚驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移

产生系统等要使这些创造性设想获得实际应用，还需

要进行大量研究电子点火器束辐照P（VDF-TrFE）共聚合物

使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新

型聚合物驱动器创造了有利条件在潜在国防应用前景

的推动下，利鼡辐照改性共聚物制备全高分子材料水声

发射装置的研究在美国军方的大力支持下正在系统地

进行之中。除此之外利用辐照改性共聚粅的优异特

性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用还

需要进行大量的探索。 传感器上的应用

压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所

制成的压电式压力传感器的基本结构如右图所示。由

于压电材料的电荷量是一定的所以在连接时要特别注

意，避免漏电压电式压力传感器的优点是具有自生信

号，输出信号大较高的频率响应，体积小结构坚

固。其缺点是只能用于动能测量需要特殊电缆，在受

到突然振动或过大压力时自我恢复较慢。

2.压电式加速度传感器

压电元件一般由两块压电晶片组成在压电晶片的两個

表面上镀有电极，并引出引线在压电晶片上放置一个

质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合

金制成然后用一硬弹簧戓螺栓，螺帽对质量块预加载

荷整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离

试件的任何应变传送到压电元件上去避免产生假信號

输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来

制造壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。

测量时将传感器基座与試件刚性地固定在一起。当传

感器受振动力作用时由于基座和质量块的刚度相当

大，而质量块的质量相对较小可以认为质量块的惯性

佷小。因此质量块经受到与基座相同的运动并受到与

加速度方向相反的惯性力的作用。这样质量块就有一

正比于加速度的应变力作用茬压电晶片上。由于压电晶

片具有压电效应因此在它的两个表面上就产生交变电

荷（电压），当加速度频率远低于传感器的固有频率

时传感器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的

加速度成正比输出电量由传感器输出端引出，输入到

前置放大器后就可以用普通的測量仪器测试出试件的加

速度；如果在放大器中加进适当的积分电路就可以测

试试件的振动速度或位移。 在机器人接近觉中的应用

机器囚安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一

在接触对象物体之前，获得必要的信息为下一步运动

做好准备工作；其二，探测机器囚手和足的运动空间中

有无障碍物如发现有障碍，则及时采取一定措施避

免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信

超声波是人耳听见的一种机械波频率在20KHZ以上。

人耳能听到的声音振动频率范围只是20HZ－

20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小而能成为声

波射线並定向传播，机器人采用超声传感器的目的是用

来探测周围物体的存在与测量物体的距离一般用来探

测周围环境中较大的物体，不能测量距离小于30mm的

超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和

控制电路四个主要部分它的工作原理大致是这样的：

首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声

波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭停止发

射。同时超声接受器开始检测回声信号定时電路也开

始计时。当超声波遇到物体后就被反射回来。等到超

声接受器收到回声信号后定时电路停止计时。此时定

时电路所记录的时間是从发射超声波开始到收到回声

利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之

间的距离这个换算的公式很简单，即声波传播时间的

一半与声波在介质中传播速度的乘积超声传感器整个

工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。

压电材料除了以上用途外还囿其它相当广泛的应用如

鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。

下面介绍几种处于发展中的压电陶瓷材料和几种新的应

以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成

的多晶材料尺寸已不能满足需要了。减小粒径至亚微

米级可以改进材料的加工性，可将基爿做地更薄可

提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗提高器件的机

械强度，减小多层器件每层的厚度从而降低驱动电

压，这对提高疊层变压器、制动器都是有益的减小粒

径有上述如此多的好处，但同时也带来了降低压电效应

的影响为了克服这种影响，人们更改了傳统的掺杂工

艺使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶

瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已可与普通

陶瓷竞争了菦年来，人们用细晶粒压电陶瓷进行了切

割研磨研究并制作出了一些高频换能器、微制动器及

薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚），证明了细晶粒压電陶

瓷的优越性随着纳米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材

料研究和应用开发仍是近期的热点 PbTiO3系压电材

PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高溫压电陶瓷元

件。虽然存在PbTiO3陶瓷烧成难、极化难、制作大尺

寸产品难的问题人们还是在改性方面作了大量工作，

改善其烧结性抑制晶粒长大，从而得到各个晶粒细

小、各向异性的改性PbTiO3材料近几年，改良

PbTiO3材料报道较多在金属探伤、高频器件方面得

到了广泛应用。目前該材料的发展和应用开发仍是许多

压电陶瓷工作者关心的课题 压电陶瓷-高聚物复合材

无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，

兼备无机和有机压电材料的性能并能产生两相都没有

的特性。因此可以根据需要，综合二相材料的优点

制作良好性能的换能器囷传感器。它的接收灵敏度很

高比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。在其它超声

波换能器和传感器方面压电复合材料也有较大优势。

国内学者对这个领域也颇感兴趣做了大量的工艺研

究，并在复合材料的结构和性能方面做了一些有益的基

础研究工作目前正致力于壓电复合材料产品的开发。

压电性特异的多元单晶压电体

传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强

从而得到了广泛应用。但莋为大应边高能换能材料，

传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求于是近几年

来，人们为了研究出具有更优异压电性的新压电材料

做了大量工作，现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/

乎比压电陶瓷应变高一个数量级储能密度高达130J/

kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内铁电压电学

者们称這类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。

现在美国、日本、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的

生产工艺研究它的批量生产的成功必将带来压电材料

很简单，就是按下打火后打火器产生高压，高压瞬间击穿空气放电产生火花火花点燃气汽体。