新型冠狀病毒肺炎病人發(fā)展到重癥或者危重癥的標(biāo)志就是出現(xiàn)呼吸衰竭，呼吸快，出現(xiàn)低氧表現(xiàn)。因此，早期發(fā)現(xiàn)低氧血癥，及時(shí)使用呼吸機(jī)干預(yù)，可以避免重癥病人變成危重癥，為搶救病人生命贏得時(shí)間。而對(duì)于呼吸機(jī)的制造，壓電陶瓷功不可沒。因?yàn)?/span>壓電陶瓷材料制作成的壓電閥是現(xiàn)代呼吸機(jī)的關(guān)鍵零部件，通過壓電閥也可對(duì)劑量進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)，由此可精確控制氧氣混合量。由于壓電閥切換過程幾乎無聲,顯著降低的運(yùn)行噪音，不會(huì)對(duì)那些需要日夜通過儀器進(jìn)行輔助呼吸的病人造成打擾。因此，更受醫(yī)療界歡迎。

呼吸機(jī)與壓電閥

壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料-壓電效應(yīng)，這樣看起來，壓電陶瓷工作原理就像一個(gè)可以將動(dòng)能和勢(shì)能互相轉(zhuǎn)化彈簧。壓電陶瓷材料在通電時(shí)會(huì)發(fā)生變形，例如：兩塊相互連接的陶瓷板材會(huì)向一個(gè)特定方向彎曲，將這一現(xiàn)象應(yīng)用在壓電閥中。這些閥門借助這一連接板，即所謂的彎曲執(zhí)行器進(jìn)行打開和閉合。

壓電閥的工作原理

如上圖所示：如果在彎曲執(zhí)行器上通電，陶瓷層緊縮，由此所以葉片向上彎曲，閥門打開（右圖）。如果切斷電壓，彎曲轉(zhuǎn)換器恢復(fù)原始形狀，閥門關(guān)閉（左圖）。電壓越高，閥門打開越大，由此可對(duì)氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。這些切換過程可以在壓電閥中非常迅速地連續(xù)進(jìn)行。

值得提醒的是，大家不要被上面的示意圖給誤導(dǎo)了。實(shí)際上，壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，正是基于這微小的變化才實(shí)現(xiàn)了精確控制機(jī)構(gòu)，這個(gè)特性解決了精密儀器和機(jī)械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域的難題。如果壓電陶瓷的真如彈簧一樣大的形變量，那就又回到了電磁閥的水平了。

壓電陶瓷其實(shí)同時(shí)具有正壓電性和逆壓電性。正壓電性是指某些電介質(zhì)在機(jī)械外力作用下,介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而引起極化, 從而導(dǎo)致電介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。反之,當(dāng)給具有壓電性的電介質(zhì)加上外電場時(shí),電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而被極化, 由此位移導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生形變,這種效應(yīng)稱之為逆壓電性。很顯然，壓電閥是利用了壓電陶瓷的逆壓電性。

那我們接下來再舉一個(gè)利用壓電陶瓷正壓電效應(yīng)的例子。目前有一種煤氣灶用的新款打火機(jī)就是利用了正壓電效應(yīng)，只要用手指壓一下打火按鈕，打火機(jī)上的壓電陶瓷就能產(chǎn)生高電壓，形成電火花而點(diǎn)燃煤氣，可以長久使用。壓電打火機(jī)不僅使用方便，安全可靠，而且壽命長，例如一種鋯鈦酸鉛壓電陶瓷制成的打火機(jī)可使用100萬次以上。

此外，壓電陶瓷在聲音轉(zhuǎn)換器，壓電引爆器，防核護(hù)目鏡，超聲波換能器，聲納等領(lǐng)域有很多成熟的應(yīng)用。更加值得關(guān)注的是隨著5G時(shí)代的到來，壓電陶瓷在濾波器領(lǐng)域中正在大展拳腳。可以預(yù)見，隨著壓電陶瓷的集成化、小型化的發(fā)展，其應(yīng)用將更加廣泛。

注：部分資料來源于Festo官網(wǎng)

粉體圈 作者：沐恩