智能材料的问题,加电压或电流改变其形状

受到电刺激时会收缩（其实是变形）的物质实际就是人造肌肉，美国、中国、日本等一些国家都有这方面的成果，但属于核心机密。介绍你看一篇有关的文章吧：

那不过是一只价值100美圆的玩具——一个玻璃缸，里面游弋着一群日本大阪的Eam

ex公司生产的机器鱼。不同寻常的地方在于，这些靠内在力驱动的塑料鱼，在水中游动的姿势几乎与真的鱼一样，而且其内部不包含任何机械部分：没有马达、没有传动轴、没有齿轮、甚至连一节电池都没有。这些鱼之所以会游泳，是因为它们的塑料内脏在来回弯曲，就像鱼有自己的意志一样。它们是基于一种新一代改进型电活化聚合物(EAPs)的第一批商业化产品，这种塑料聚合物在电刺激下会产生移 动。

数十年前，构建致动器或者致动设备的工程师就已经为肌肉找到了一种人造替代物。作为对神经刺激的响应，肌肉只须改变长度就能够准确地控制其施加的力量，例如眨眼睛或举起杠铃。同时，肌肉还表现出比例恒定的属性：对于各种尺寸大小的肌肉，其机理都一样，相同的肌肉组织既可以给昆虫、也能够为大象赋予力量。因此，对于难以制作电动马达的驱动设备，某种类似肌肉的东西也许会有用武之地。

EPAs号称要成为未来的人造肌肉。研究人员已经在雄心勃勃地工作，希望能够为许多当代的技术寻找基于EPA的可选方案，而且不害怕将他们的发明物与自然物竞争。几年前，有几个人，包括来自美国加州帕萨迪纳喷气推进实验室(JPL)的高级科学家Yoseph Bar-Cohen，向电活化聚合物研究团体发起了一项挑战，以激发人们对该领域的兴趣：展开一项竞赛，看谁能够最先制造出EAP驱动的机器人手臂，而且必须在与人的手臂的一对一掰手腕比赛中取胜。然后，他们开始寻找赞助商的资助，为优胜者颁发现金作为奖励。

目前而言，最有前途的工作也许是美国斯坦福研究院(SRI)正在做的研究，SRI是基于加州门洛帕克市的一家非盈利合同型研究实验室。SRI管理层希望能够在几个月内，将所需资金中的400～600万美元作为最初投资，组建一家让产易股的公司(暂时命名为人造肌肉综合公司)以实现其专利EPA技术的商业化。即使现在，SRI手里仍然有着六项研发合同，甲方包括美国政府以及来自玩具、汽车、电子、机械产品和鞋类行业的公司。SRI正在努力，以期尽快将人造肌肉推向市场。

这家新公司的目标是什么？只不过想以使用SRI的新颖致动器的更小、更轻、更便宜的产品，取代无数我们经常使用的电动马达，以及许多其他的致动装置。其实验室商业开发部主任Phillip von Guggenberg指出：“我认为该技术是实现机械致动领域革命的一个很好机会。我们希望能够普及该技术，让它成为你在五金店就能买到的东西。”

人造肌肉的材料

自从1990年代中期以来，Bar-Cohen一直为经常变化的国际EAP研究人员团体充当非正式的协调人。回到该领域的萌芽时期，“我从科技论文上读到的电活化聚合物材料并不像广告吹嘘的那样神奇，”他一边回忆，一边狡黠地笑着，“而且当我从NASA获得经费来研究该技术时，我不得不去了解谁在做这个领域的工作，以便从中找到某些启发。”仅在数年之内，Bar-Cohen就已掌握了足够的知识，并且协助举办了首届关于该主题的科技研讨会，开始出版一份EAP时事通讯，发布了一个EAP网站，还编写了两部关于这项新兴技术的论著。

在喷气推进实验室(JPL)院内的一幢矮层研究建筑内，试验台上摆满了各种致动设备原型以及测试装置，Bar-Cohen开始回顾他已经了如指掌的关于该领域的历史。他说：“很长一段时间内，人们一直在寻找不用电动马达就可以移 动物体的方法，因为马达对于许多应用而言显得太过笨重。在EPAs出现之前，马达的标准替代技术是压电陶瓷，该技术曾一度是研究的热点。”

在压电材料中，机械应力可导致晶体电极化，而且反之亦然。用电流刺激这种材料将使其变形；通过改变其形状可以产生电。

Bar-Cohen从一张实验长椅上拿起一只浅灰色的小碟子，说：“这块碟子由PZT(锆钛酸铅)制成。”他向我们解释：电流使得压电PZT产生收缩或者膨胀，幅度只有不到其总长度的百分之一。尽管变形量很小，但是却有用处。

在隔壁的一间屋子中，Bar-Cohen出示了由PZT碟子驱动的一英尺长的冲击钻，他现在正和JPL的同事以及Cybersonics公司的工程师们一起研制这些PZT碟子。他介绍说：“在这个圆筒内是一叠压电碟子，当被交流电激活时，这叠碟子将以超音速拍打钻头，钻头则以高速率上下跳跃，从而钻入坚硬的岩石。”在另一侧是几堆石块，石块已经被钻出很深的孔眼。

该钻子作为一个范例，说明了用压电陶瓷制作致动器的有效性，的确让人印象深刻。但是，在许多应用中，要求电活化材料的膨胀幅度超过百分之零点几。

塑料对电的反应

Bar-Cohen告诉我们，响应电流而改变形状的聚合物可分为两类：离子型和电子型，其优势和劣势正好互补。

离子型EAPs(包括离子聚合物凝胶体、离子性高分子如金属复合材料、导电性高分子以及碳纳米管)是在电化学的基础上工作——即正负离子的移 动和扩散。它们可以直接用电池带动，因为即便一个个位(single-digit)电压也能够使它们大幅度弯曲。不足之处在于，离子型EAPs通常必须是湿的，因此应当密封在挠性薄层中。许多离子型EAPs的另一个主要缺陷在于"只要电流接通，该材料就会一直运动，“Bar-Cohen指出，并且补充说：“如果电压超过一定值，将会产生电解，从而给材料造成无法修复的损坏。”

相反，电子型EAPs(例如铁电聚合物、电介体、电绝缘橡胶以及电致伸缩移植橡胶)则由电场驱动。它们需要相对较高的电压，因此会产生让人不舒服的电击。但是，作为回报，电子型EPAs能够迅速作出响应，并且传递较强的机械力。它们不需要保护薄层，而且几乎不需要电流就能够保持某个定位。

SPR的人造肌肉材料属于电子型EAP类型。它的成功开发经历了漫长曲折的道路，而且多少带有一些偶然性，可以称得上是奇思怪想式技术创新的一个经典范例。

给橡胶充电

SRI小组的领导者Ron Pelrine介绍说：“在与日本签署微型机器计划(Japanese micro-machine program)合同之后，斯坦福研究院从1992年开始研究人造肌肉。”他从前是一名物理学家，现在转行做机械工程师。日本官方在寻找一种新型的微致动器技术。几位SRI研究人员开始寻找一种在力学、冲程(线性位移)以及应变(单位长度或单位面积的位移量)等方面的性质与自然肌肉类似的致动材料。

“我们考察了一大堆有希望的活化技术，”Pelrine回忆道。然而，他们最终选择了电致伸缩聚合物，当时来自路特葛斯大学(Rutgers University)的Jerry Scheinbeim正在研究这种材料。这种聚合物中的碳氢分子以半晶体点阵的方式排列，而这种晶阵具有类似压电的属性。

当处于电场中时，所有的绝缘塑料(例如聚亚安酯)将会沿电力线的方向收缩，同时沿垂直于电力线的方向膨胀。这种现象与电致伸缩不同，被称为麦克斯韦应力。Pelrine 说：“这种现象早就为人们所熟知，但一直被当作是一种很麻烦的效应。”

他意识到，比聚亚安酯更软的聚合物在静电吸引作用下将更容易挤压，因而可以提供更大的机械应变。通过对软硅树脂进行试验，SRI的科学家很快证明其应变在10～15%之间，这十分合意。经过进一步研究，这个数字还可以提高到20～30%。为了区别这种新的致动器材料，硅树脂和其他较软的材料被命名为电绝缘橡胶(dielectric elastomers)(也被称为电场活化聚合物。)

在确定出几种有前途的聚合物材料之后，在1990年代剩余的大部分时间内，该小组将注意力集中于研制特定设备应用的具体细节。当时，该SRI研究小组新的外部经费支持和研究方向由美国国防部高级研究计划局(DARPA)和海军研究中心(Office of Naval Research)提供，其主管的首要兴趣在于将该技术用于军事目的，包括小型侦察机器人以及轻型发电机。

由于橡胶开始表现出大得多的应变，工程师意识到电极也必须是可以膨胀的。普通金属电极无法伸长，除非将其割裂。Pelrine提到：“起先，人们不用为这个问题操心，因为他们研究的材料所提供的应变只有1%左右。”最后，该研究小组开发出一种基于在橡胶阵列(elastomeric matrix)中填充碳粒的屈从电极(compliant electrodes)。他指出：“由于电极和塑料一起膨胀，它们可以在整个活动区域之间保持电场。”SRI 为该概念申请了专利，它是后来人造肌肉技术的关键之一。

Pelrine急于向我们展示，他拿出一个15厘米见方看上去像相框的东西，其两面的塑料包夹由于膨胀而紧绷着。“看，这种聚合物材料延展性非常好，”他说，同时用一只手指按入其透明薄膜。“它实际上是一种双面胶带，一大卷的价格很便宜。”在中间夹片的两面是黑色、镍币大小的电极，连着导线。

Pelrine拧开电源的控制旋钮。立刻，黑色的圆形电极对开始膨胀，直径增加了四分之一。当他将旋钮拧回到原来位置时，电极马上又收缩至原状态。他咧嘴笑了笑，并且重复操作了好几次，解释说：“根本上，我们的设备就是电容，也就是两块平行的充电平板，中间夹着电绝缘材料。当电源接通时，正负电荷分别在相反的电极上积累。电极平板互相吸引并且挤压中间的绝缘聚合物，并且聚合物的面积扩大。”

尽管已经确定出几种有前途的材料，要想在实际设备中实现可接受的性能的确是一个挑战。然而，该小组在1999年取得的一系列突破引起了美国政府及工业界相当的兴趣。有人通过观察发现，在电活化聚合物材料之前预先拉伸它，将大大提高其性能。小组的另一位成员Roy Kornbluh工程师回忆说：“我们开始注意到存在一个甜区(sweet point)，这时可以获得最优性能。没有人确切地知道为什么，但是预拉伸聚合物可以使击穿强度[电极之间电流通路(passage of current)的阻力]增加100倍之多。”电活化应变提高的幅度与之类似。尽管原因还不是很清楚，SRI的化学家裴其冰(音)认为：“预拉伸可沿平面膨胀方向定位分子链，并且材料使得沿该方向更加坚硬。”为了获得预拉伸效果，SRI的致动器设备采用了一个外部支撑结构。

第二项关键发现得益于研究人员“测试我们所知道的每一种可伸展材料，我们称之为爱迪生方法，”Pelrine愉快地告诉我们。(为找到合适的电灯灯丝材料，托马斯·爱迪生系统地试验过各种材质。)“在我家里，为了不让我那刚会走路的孩子乱拿东西，我们用一把以聚合物材料做的门锁将冰箱锁住。孩子逐渐长大，我们不再需要锁什么东西，因此将锁拿走。由于它是用可伸展材料制成的，我决定测试一下它的应变属性。令人惊讶的是，它拥有极佳的性能。”追溯锁的来源以及分析其组成不是什么难事，最后，这种神秘的聚合物“原来是聚丙烯酸橡胶，它可以提供极大的应变和能量输出，线性应变达380%之多。这两项进展使得我们能够开始将电绝缘橡胶应用到现实的致动器设备中。”该研究人员介绍说。

人造肌肉梦想成真

SRI小组的通用研究方法比较灵活，包括许多种设计、甚至包括不同的聚合物。正如裴其冰所说：“这是一台设备，而不是一件材料。”据Pelrine称，该小组能够用不同的聚合物产生活化效应，包括丙烯酸树脂和硅树脂。甚至天然橡胶也能产生一定效应。例如，在外部空间的极端温度环境中，人造肌肉最好采用有机硅塑料，已经证明这种材料可以在零下100摄氏度的真空环境下工作。对于要求更大输出力的应用，可能需要更多的聚合物材料或者将多台设备串联或并联。

SRI成员von Guggenberg 估计：“由于可以买到电绝缘橡胶的现货，而且我们在每台设备至多只用到几平方英尺的材料，因此致动器将会非常便宜，尤其是对于批量生产。”

激活电绝缘橡胶致动器的电压相对较高，通常为1到5千伏，因此该设备可以在非常低的电流下运转(一般而言，高电压意味着低电流)。致动器还可以使用较细、不太贵的导线，并且可以保持相当冷却。Pelrine说：“在到达电场中止以及电流流经(电极之间的)空隙的临界点时，更高的电压将产生更大的膨胀和应力。”

Kornbluh评论说：“高电压是一个问题，但它不一定危险。毕竟，荧光灯和阴极射线管都是高电压设备，但是没有人会担心它们。更大的难题是高电压要用于移 动设备，因为电池通常是低电压的，因而还需要附加的变压线圈。”而且，在美国宾夕法尼亚州州立大学，张启明(音)和他的研究小组已经在尝试通过将某些电致伸缩聚合物与其他物质结合生成合成物，来降低它们的激活电压。

当被问及电绝缘橡胶的耐久性时，von Guggenberg承认还需要更多的研究，并且证实了一个“合理迹象”，即他们要继续工作足够长时间以实现商业化用途，“例如，我们为一位客户运行的设备可产生5～10%的应变，循环1000万次。”另一台设备可产生50%的面积应变，循环100万次。

尽管人造肌肉设备比相应的电动马达要轻得多(聚合物本身的密度与水差不多)，SRI仍在通过减少必要的外部预应变设备，来努力减轻其质量。例如，裴正在试验化学过程，以消除使用相对较重的框架的必要性。

产品的商业化

在开发出基本原理之后，SRI研究小组马上继续研究一系列应用概念：

线性执行机构(Linear actu-ators)。为了制造出他们所谓的弹簧卷筒(spring roll)，工程师在螺旋状弹簧外缠上数层预应变的层状电绝缘橡胶片。张力簧支持周向预应变，而橡胶膜在纵向的预应变则使弹簧保持压缩[参看48页图示]。通电使得橡胶膜厚度压缩同时沿纵向松弛，设备伸长。因此，弹簧卷筒可在压缩包中产生强力和大冲程。Kornbluh报告说，汽车制造商已经表现出对该装置的兴趣，希望用它来替代汽车中的许多小电动马达，例如在机动化的坐位位置控制中以及在高效无声引擎的阀门控制中。

弯曲辊(Bending rolls)。采用相同的基本弹簧卷筒，工程师可以连接电极，以便绕滚筒周向制造两个或多个不同的、独立工作的部分。电活化其中一个部分可以使圆筒的一侧伸长，因而整个滚筒向另一侧弯曲[参看48页图示]。基于该设计的装置可以完成采用传统的马达、齿轮和联动装置无法做到的许多复杂运动。其可能的用途包括可操纵的医用导管和所谓的蛇形机器人等。

推挽式致动器(Push-pull actuators)。可以将多组电绝缘橡胶膜片对或弹簧圆筒对按照一种“推挽式”配置排列，这样它们可以相互倚靠着工作，因而以一种更为线性的(一个输入产生一个输出)方式响应。从一台设备到另一台设备穿梭电压可以来回地改变整个设备组的位置；同时激活两台设备可以使设备组固定在一个中间点。这样，致动器可以像控制人手臂运动的肱二头肌和三头肌一样动作。

扩音器(Loudspeakers)。在有一个开孔的框架之上拉伸电绝缘薄膜。振动薄膜根据应用的电信号迅速膨胀或收缩，因此可以发出声音。这种配置可以制成一种轻型、廉价的扬声器，其震荡媒介包括驱动器和发声面板。当前的设计在中高频范围内表现出较高的性能。但是，这种扬声器配置还没有被优化为一种低音用扩音器，尽管它也可以低频范围内运行良好[参看49页图示]。

泵(Pumps)。电绝缘橡胶膜片泵的设计与低频扩音器的类似，工程师仅增加一个流体室和两只单向止回阀以控制液体的流动。人造肌肉非常适合于给微流体泵(microfluidic pumps)提供动力，例如，用于倍受医学和工业所珍视的芯片上的实验室(lab-on-a-chip)设备中。

传感器(Sensors)。出于其本质，所有的SRI电绝缘橡胶设备在弯曲或拉伸时，都会表现出电容的变化。因此，有可能制造出屈从的并且在低压下工作的传感器。Kornbluh称，SRI小组正在与一家汽车制造商洽谈，想采用这种传感器来测量座椅安全带的张力。他说，这种传感器还可以用于测量织物或其他材质的张力，例如光纤、皮带或衣料等。

表面特性和智能表面(Surface texturing and smart surfaces)。如果用电极图案在聚合体上留下烙印，可以按要求在表面上雕出各种形状。这种技术可用于活性伪装织物，它可以根据需要改变反射率，或者用作制造“拉条(riblets)”的一种装置，以改善机翼表面的气动阻力特性[参看50页图示]。

发电机(Power generators)。由于这种材料可以充当软电容器，因此可以用它制造出可变容量的发电机和能量收割机。DARPA和美国军方投资开发一种“脚后跟”发电机，这是一种轻便式能源，野外的士兵或其他人可用它代替电池，给用电设备提供电源。利用这一尚处于开发阶段的设备[参看本页图]，一位普通个头的人每秒迈出一步，大约可以产生1瓦特的功率。Von Guggen-berg称这一概念已经引起了鞋业公司的兴趣。类似地，这种设备还可安装在背包带或者汽车悬挂装置上。原则上，这种方法还可应用到波发生器(wave generator)和风力设备中。

SRI的研究人员最近在测试一个更加激进的概念“聚合物引擎”。丙烷燃料在燃烧室内燃烧，燃烧产物所产生的压力将使得电绝缘橡胶膜片歪曲，从而产生电。这种设计可能最终导致厘米级或更小尺度范围内的高效率微型发电机的出现。

但是，真正的适销产品的出现尚需要时日。von Guggenberg指出：“目前而言，我们正在制造一切齐全即可使用的(turnkey)设备，可以把它们交到工程师的手中，以便他们能够研究它们、接受并欣赏该技术。我希望在将来，所有的工程师在设计新产品的时候，都能够考虑这种技术。”

Bar-Cohen称，SRI在致动器技术上取得的进展给他留下了深刻印象。但是成功也带来一方面的问题：掰手腕比赛。他打趣地说：“我原本希望再过20年左右时间，有人能开发出一支足以与人类手臂相抗衡的机械胳膊。现在SRI称他们准备造一支，而我们现在还没有提高奖金呢！”

一、压电陶瓷的结构

压电陶瓷是指把氧化物混合(氧化锆、氧化铅、氧化钛等)高温烧结、固相反应后而成的多晶体，并通过直流高压极化处理使其具有压电效应。压电陶瓷的结构是晶粒随机取向的多晶聚集体，每个晶相都是具有铁电性的晶粒，各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的。

二、压电陶瓷的特性

压电陶瓷具有较好的力学性能和稳定的压电性能，压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感功能材料，已经在传感器、超声换能器、微位移器和其它电子元器件等方面得到了广泛的应用。

扩展资料

压电陶瓷的制造技术：

1、单层压电陶瓷的基本制造

单层压电陶瓷元件是只有一层压电陶瓷组成的产品，其中导电金属电极施加到两个相对侧。单层压电陶瓷元件是通过常规工艺将压电陶瓷粉末进行压制而成，如单轴压制、等静压和挤压。制造单层压电元件的基本技术是使用喷雾干燥的颗粒材料压制成型体。

2、多层压电陶瓷的基本制造

多层压电陶瓷由几层压电材料构成，并与内部电极层交替。内部电极依次定位为正极和负极。所有正极连接到压电陶瓷元件一侧的一个外部电极，所有负电极连接在元件的另一侧外部电极。与单层压电陶瓷促动器相比，多层压电陶瓷促动器具有的优点是位移大。

参考资料来源：百度百科-压电陶瓷

当您将按钮轻轻一揿，煤气灶迅即燃起蓝色火焰，您可曾意识到是什么带给您的这份便利呢？将一块看起来平淡无奇的陶瓷接上导线和电流表，用手在上面一摁，电流表的指针也跟着发生摆动——竟然产生了电流，岂非咄咄怪事？其实，这是压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。压电陶瓷到底是一种什么样的材料呢？这是一种具有压电效应的材料。所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。

压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。

压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。

谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

我们来看一种新型自行车减震控制器，一般的减振器难以达到平稳的效果，而这种ACX减震控制器，通过使用压电材料，首次提供了连续可变的减震功能。一个传感器以每秒50次的速率监测冲击活塞的运动，如果活塞快速动作，一般是由于行驶在不平地面而造成的快速冲击，这时需要启动最大的减震功能；如果活塞运动较慢，则表示路面平坦，只需动用较弱的减震功能。

可以说，压电陶瓷虽然是新材料，却颇具平民性。它用于高科技，但更多地是在生活中为人们眼务，创造美好的生活。 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用。

1、换能器

换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件

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驱动下的弯曲振动，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用压电聚合物的特点，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。

压电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测、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，最后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器的性能。

压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，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。

2、压电驱动器

压电驱动器利用逆压电效应，将电能转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的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，利用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，利用辐照改性共聚物的优异特性，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。

3、传感器上的应用

压电式压力传感器

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。

压电式加速度传感器

压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极，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。然后用一硬弹簧或螺栓，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，避免产生假信号输出，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，将传感器基座与试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很小。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在压电晶片上。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测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。

4、在机器人接近觉中的应用（超声波传感器）

机器人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，探测机器人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息。

超声波是人耳听不见的一种机械波，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，而能成为声波射线并定向传播，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的物体。

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，定时电路也开始计时。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间，是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。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有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用。

1、 细晶粒压电陶瓷

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，可将基片做地更薄，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，这对提高叠层变压器、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，人们更改了传统的掺杂工艺，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。近年来，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），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。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。

2、PbTiO3系压电材料

PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件。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。目前该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。

3、压电陶瓷-高聚物复合材料

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和传感器。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，目前正致力于压电复合材料产品的开发。4、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。但作为大应边，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(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的d33最高可达2600pc/N(压电陶瓷d33最大为850pc/N),k33可高达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变>1.7%，几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。铁电压电学者们称这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应用的飞速发展。 近年来人们合成方法研制出许多具有压电效应和逆压电效应的聚合物材料，并将这些材料冠名为“人造肌肉”。世界各国的研究者们发起了一项挑战：看谁能够最先利用人造肌肉制造出机器人手臂，而且必须在与人的手臂的一对一掰手腕比赛中取胜。

压电陶瓷电子秤的原理：是通过压电陶瓷能够将机械能和电能互相转换的信息功能。

电子秤是一种装备了电子元件的称重计量设备，具有秤量快、读数方便，能在恶劣环境条件下工作、便于与计算机技术相结合而实现称重技术和过程控制的自动化等特点，因而被广泛应用于医院、学校、企业、能源交通、商业贸易和科学技术等部门。

由于结构简单，因此体积小、重量轻。电子秤已成为衡器发展的主流，普遍应用于工业、商业和其它领域，对提高人民生活水平、增强劳动生产率、减轻劳动强度、降低成本都有着重要的意义。

电子秤的工作流程：

当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。

该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。