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抗击新冠的“重器”呼吸机:压电陶瓷功不可没
2020年03月09日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:2261
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新型冠状病毒肺炎病人发展到重症或者危重症的标志就是出现呼吸衰竭,呼吸快,出现低氧表现。因此,早期发现低氧血症,及时使用呼吸机干预,可以避免重症病人变成危重症,为抢救病人生命赢得时间。而对于呼吸机的制造,压电陶瓷功不可没。因为压电陶瓷材料制作成的压电阀是现代呼吸机的关键零部件,通过压电阀也可对剂量进行细微调节,由此可精确控制氧气混合量。由于压电阀切换过程几乎无声,显著降低的运行噪音,不会对那些需要日夜通过仪器进行辅助呼吸的病人造成打扰。因此,更受医疗界欢迎。

 

呼吸机与压电阀

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应,这样看起来,压电陶瓷工作原理就像一个可以将动能和势能互相转化弹簧。压电陶瓷材料在通电时会发生变形,例如:两块相互连接的陶瓷板材会向一个特定方向弯曲,将这一现象应用在压电阀中。这些阀门借助这一连接板,即所谓的弯曲执行器进行打开和闭合。

 

压电阀的工作原理

如上图所示:如果在弯曲执行器上通电,陶瓷层紧缩,由此所以叶片向上弯曲,阀门打开(右图)。如果切断电压,弯曲转换器恢复原始形状,阀门关闭(左图)。电压越高,阀门打开越大,由此可对气流量进行调节。这些切换过程可以在压电阀中非常迅速地连续进行。

值得提醒的是,大家不要被上面的示意图给误导了。实际上,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,正是基于这微小的变化才实现了精确控制机构,这个特性解决了精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域的难题如果压电陶瓷的真如弹簧一样大的形变量,那就又回到了电磁阀的水平了。

压电陶瓷其实同时具有正压电性和逆压电性。正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化, 从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。很显然,压电阀是利用了压电陶瓷的逆压电性。

那我们接下来再举一个利用压电陶瓷正压电效应的例子。目前有一种煤气灶用的新款打火机就是利用了正压电效应,只要用手指压一下打火按钮,打火机上的压电陶瓷就能产生高电压,形成电火花而点燃煤气,可以长久使用。压电打火机不仅使用方便,安全可靠,而且寿命长,例如一种锆钛酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。

此外,压电陶瓷在声音转换器,压电引爆器,防核护目镜,超声波换能器,声纳等领域有很多成熟的应用。更加值得关注的是随着5G时代的到来,压电陶瓷在滤波器领域中正在大展拳脚。可以预见,随着压电陶瓷的集成化、小型化的发展,其应用将更加广泛。

注:部分资料来源于Festo官网

粉体圈 作者:沐恩


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