能量轉(zhuǎn)換是指能量形態(tài)上的轉(zhuǎn)換，通常我們可以通過特定的能量轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)品，將一種形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的能量。例如，燃料電池可以將燃料（氫氣、甲醇、金屬鎂/鋁/鋅等）的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能；又例如陶瓷加熱器可以通過電阻加熱將將電能轉(zhuǎn)化為熱能；壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能；半導(dǎo)體制冷采用用特種半導(dǎo)體材料，做成制冷器件，不用制冷劑，通電后直接制冷。下文以京瓷的產(chǎn)品作為參考整理一下相關(guān)陶瓷部件應(yīng)用的信息。

來源：KYOCERA

一、陶瓷加熱器

1、氮化硅加熱器

京瓷官網(wǎng)對氮化硅加熱器的特征表述：2秒以內(nèi)到達(dá)1，000℃，最高使用溫度1，400℃。

▲京瓷氮化硅加熱器

1.1、應(yīng)用案例：電熱塞、各類高溫氣體點(diǎn)火

氮化硅加熱器可以作用于柴油機(jī)啟動預(yù)熱、各類高溫氣體點(diǎn)火。電熱塞是作為車用柴油機(jī)的輔助冷起動措施而出現(xiàn)的。不僅大幅度地改善了柴油機(jī)的冷起動性能，而且是提高其起動時排放指標(biāo)的行之有效措施。

1.2、新興應(yīng)用：曲面玻璃加工

5G手機(jī)為了降低高頻信號損耗，后蓋多采用玻璃材質(zhì)。手機(jī)3D曲面玻璃采用CNC加工，工時長，效率低，目前基本都是采用熱彎機(jī)。玻璃成型過程中，熱彎機(jī)需要升溫至1000℃以上，對加熱器要求較高。氮化硅發(fā)熱件正適用于曲面玻璃加工，氮化硅主要由Si3N4組成，耐熱沖擊性強(qiáng)，耐高溫強(qiáng)度佳。

▼京瓷官網(wǎng)關(guān)于氮化硅及氧化鋁陶瓷加熱器的介紹

2、氧化鋁加熱器

陶瓷加熱器是利用陶瓷材料為載體，將發(fā)熱體印刷在陶瓷體內(nèi)部，一體燒結(jié)成型的。這種構(gòu)造能夠完全密閉，可以設(shè)計非常精巧的發(fā)熱線路。另外，發(fā)熱線路的設(shè)計也非常靈活，可任意調(diào)整形狀及功率，還可設(shè)計多個線路以實(shí)現(xiàn)切換溫度傳感的功能。

氧化鋁加熱器是以高可靠性集成電路用陶瓷封裝中的陶瓷層疊技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的，可靠性非常高的工業(yè)用加熱器。最高使用溫度1，000℃，常規(guī)使用溫度800℃。（來源京瓷產(chǎn)品描述）。此外，在此外珠海惠友的官網(wǎng)描述中我們了解到氧化鋁陶瓷發(fā)熱體在通電工作時，10S內(nèi)發(fā)熱片表面可達(dá)200℃，30秒鐘內(nèi)可上升到800℃，長期使用溫度可達(dá)500-700℃（已經(jīng)實(shí)用化的PTC發(fā)熱材料的最高溫度為300℃）。

應(yīng)用案例：①智能馬桶加熱器：氧化鋁加熱器可用于智能馬桶瞬間即時加熱，不需要熱水儲水罐；②氣體傳感器加熱器：提升氣體傳感器可靠性，縮短啟動時間。

3、PTC陶瓷加熱器

PTC（PositiveTemperatureCoefficient）陶瓷，亦稱“正溫度系數(shù)熱敏陶瓷”。一類電阻在常溫下很小，但會隨溫度升高到某一特定溫度(轉(zhuǎn)變溫度)而突然增大千倍至百萬倍，溫度下降又恢復(fù)原狀的陶瓷。PTC加熱器又叫PTC發(fā)熱體，采用PTC陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成。PTC加熱器應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，下游應(yīng)用涉及到汽車、空調(diào)、暖風(fēng)扇、干燥機(jī)、干衣機(jī)等領(lǐng)域。

▲PTC加熱器原理及功能：①帶電型空氣加熱器容易獲得較大的功率，成本也比較低；但是由于散熱器是帶電的，容易存在安全隱患；②絕緣型空氣加熱器，散熱器與PTC陶瓷加熱片是由絕緣的，散熱器不帶電。絕緣型空氣加熱器比較安全，但是功率較低，成本較高。

▲空調(diào)的電輔熱技術(shù)是PTC電輔熱技術(shù)

它的基片是鈦酸鋇與微量的鑭族元素，燒結(jié)而成的陶瓷半導(dǎo)體，其電阻率隨溫度升高按指數(shù)關(guān)系增加。其次隨著摻入鈦酸鋇中微量元素品種和含量不同，其電阻率也就不同。BaTi03(BT)的居里點(diǎn)是120℃，現(xiàn)在市場上居里點(diǎn)超過120℃的PTC熱敏電阻材料(簡稱PTC材料)幾乎全都是通過加鉛來實(shí)現(xiàn)的。但鉛會危害人們的身體健康及產(chǎn)生環(huán)境污染。人們一直試圖研究出環(huán)保型無鉛高居里點(diǎn)PTC材。實(shí)用化的PTC發(fā)熱材料最高溫度為300攝氏度。

▲PTC加熱片的制備工藝

二、壓電陶瓷

壓電陶瓷是一種能將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能陶瓷，在諧振器、傳感器、超聲換能器、驅(qū)動器、濾波器、電子點(diǎn)火器等方面有著廣泛的應(yīng)用。

1、壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域

壓電效應(yīng)的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產(chǎn)生高頻聲信號（機(jī)械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，這種相互對應(yīng)的關(guān)系確實(shí)非常有意思。精密的壓電陶瓷，在嚴(yán)酷的環(huán)境下也能在千分之一秒到數(shù)十分之一秒的間隔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)從納米到幾百微米的變形震動，然后高速準(zhǔn)確的重復(fù)。

▼京瓷官網(wǎng)關(guān)于壓電陶瓷應(yīng)用的介紹

2、常見的壓電陶瓷材料

鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。

鋯鈦酸鉛Pb(Zr·Ti)O3。系壓電陶瓷（PZT）壓電系數(shù)較高，各項機(jī)電參數(shù)隨溫度、時間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。

鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN）具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。

三、固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell，SOFC）是最高效率的燃料電池，也稱作陶瓷燃料電池，是一種在中高溫下將各種燃料氣（天然氣、垃圾填埋氣、煤氣、甲醇等）的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為電能的全固態(tài)燃料電池。SOFC由電解質(zhì)（陶瓷材料）、陽/陰極、連接體（陶瓷或合金）構(gòu)成單電池，再由多個單電池構(gòu)成電堆。京瓷的SOFC:精密陶瓷設(shè)計·制造·測評技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品9萬小時連續(xù)工作的，360次啟停，12年設(shè)計壽命。

1、應(yīng)用領(lǐng)域

數(shù)百瓦～數(shù)千瓦功率的SOFC（固體氧化物燃料電池）期待活躍在通信基站、信號機(jī)、管道監(jiān)視等領(lǐng)域。數(shù)百瓦～數(shù)千瓦功率的SOFC（固體氧化物燃料電池）還活躍在家庭、便利店、餐飲店、理發(fā)店等應(yīng)用場景（來源KYOCERA）。

2、常見的固體電解質(zhì)：

固體電解質(zhì)是SOFC的核心部件，目前研究較多的ZrO2基電解質(zhì)、CeO2基電解質(zhì)和Bi2O3基電解質(zhì)均為螢石結(jié)構(gòu)的固體電解質(zhì)。其中CeO2基電解質(zhì)在低溫下具有較高的離子電導(dǎo)率，但容易被還原，引入電子電導(dǎo)，從而降低能量轉(zhuǎn)化效率。Bi2O3基電解質(zhì)有最高的離子電導(dǎo)率，但是穩(wěn)定性較差，至今沒有得到廣泛應(yīng)用。具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LSGM電解質(zhì)在低溫時具有較高的氧離子電導(dǎo)率，是目前綜合性能較好的一種低溫電解質(zhì)材料。La2Mo2O9電解質(zhì)在580℃有結(jié)構(gòu)相變，并且其易與電極發(fā)生反應(yīng)限制了它的發(fā)展。

四、半導(dǎo)體制冷模塊/熱電模塊/Peltier元件/熱電致冷器

熱電制冷（亦名溫差電制冷、半導(dǎo)體制冷、電子制冷）是以溫差電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的制冷方法，它是利用“塞貝克”效應(yīng)的逆反應(yīng)-珀爾帖Peltier效應(yīng)的原理達(dá)到制冷目的。塞貝克效應(yīng)就是在兩種不同金屬組成的閉合線路中，如果保持兩接觸點(diǎn)的溫度不同，就會在兩接觸點(diǎn)間產(chǎn)生一個電勢差--接觸電動勢，同時閉合線路中就有電流流過，稱為溫差電流。反之，在兩種不同金屬組成的閉合線路中，若通以直流電，就會使一個接點(diǎn)變冷，一個變熱，這稱為珀爾貼效應(yīng)，亦稱溫差電現(xiàn)象。

純金屬的熱電效應(yīng)很小，若用一個N型半導(dǎo)體和一個P型半導(dǎo)體代替金屬，效應(yīng)就大得多。接通電源后，上接點(diǎn)附近產(chǎn)生電子-空穴對，內(nèi)能減小，溫度降低，向外界吸熱，稱為冷端。另一端因電子-空穴對復(fù)合，內(nèi)能增加，溫度升高，并向環(huán)境放熱，稱為熱端。一對半導(dǎo)體熱電元件所產(chǎn)生的溫差和冷量都很小，實(shí)用的半導(dǎo)體制冷器是由很多對熱電元件（半導(dǎo)體晶粒）經(jīng)并聯(lián)、串聯(lián)組合而成，也稱熱電堆。將這些組合的晶粒上下面覆蓋陶瓷片或其它導(dǎo)熱的絕緣材料，在通電的狀態(tài)下，便形成一面吸熱、一面放熱的效應(yīng)。其結(jié)構(gòu)及原理圖如下：

▲制冷片原理圖（來源：一冷科技）

▲珀耳帖元件

1、相關(guān)材料：

半導(dǎo)體制冷器可用的陶瓷材料有Al2O3（96%氧化鋁）、BeO（氧化鈹）、AlN（氮化鋁）等。其中，氧化鈹和氮化鋁的熱傳導(dǎo)率較高，但氧化鈹生產(chǎn)要求高，所以很少使用，而氮化鋁的成本相較氧化鋁高，可用于要求較高的產(chǎn)品。因此，氧化鋁在半導(dǎo)體制冷器中應(yīng)用最廣泛。目前熱電模塊最常用到的半導(dǎo)體熱電材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金。通過摻雜得到P型和N型碲化鉍半導(dǎo)體熱電材料。其中P型是Bi2Te3-Sb2Te3，N型是Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直區(qū)熔法提取晶體材料。

熱電致冷器應(yīng)用領(lǐng)域：目前熱電制冷模塊已在半導(dǎo)體、消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)、航空、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域內(nèi)多個場景實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

2、應(yīng)用領(lǐng)域：汽車座椅溫度調(diào)節(jié)

半導(dǎo)體制冷模塊/熱電模塊/Peltier元件具備加熱和冷卻兩種效果的熱控制模塊。通過電流使表面溫度變化，可以持續(xù)保持在設(shè)定的目標(biāo)溫度(溫度調(diào)節(jié))。

通過在駕駛員座椅，前排乘客座椅甚至后排座椅上使用熱電模塊，使座椅中散發(fā)出冷熱的空氣，以調(diào)節(jié)車體溫度，即使長時間仍可舒適駕駛。（來源：Ferrotec Material Technologies --Peltier Type Climate Control Seat）

3、應(yīng)用領(lǐng)域：消費(fèi)電子

消費(fèi)電子領(lǐng)域是目前半導(dǎo)體熱電制冷技術(shù)一個大的應(yīng)用市場，其最典型的應(yīng)用是在有限的空間內(nèi)制冷或通過制冷、制熱實(shí)現(xiàn)精確控溫，如恒溫酒柜、電子冰箱、冷熱型飲水機(jī)、電子空調(diào)、啤酒機(jī)、恒溫床墊、除濕機(jī)、手機(jī)散熱夾、水離子吹風(fēng)機(jī)等。

4、應(yīng)用領(lǐng)域：通訊電力

網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)的快速發(fā)展，對訊號傳輸?shù)钠焚|(zhì)及速度提出了更高要求。器件性能不斷提升，封裝尺寸不斷縮小，造成器件的發(fā)熱密度不斷提升，如果熱無法迅速散去，會造成產(chǎn)品可靠度降低，甚至損毀的嚴(yán)重后果。對于光通訊器件而言，除了散熱，溫度的控制更為重要。半導(dǎo)體制冷模組可以通過對輸入電流的控制，實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上其體積小，制冷效率高的特點(diǎn)，非常適用于光通訊器件的精密溫度控制。

部分產(chǎn)品應(yīng)用參考來源：KYOCERA官網(wǎng)

編輯：粉體圈Alpha

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