能量转换是指能量形态上的转换，通常我们可以通过特定的能量转换装置产品，将一种形式的能量转变为另一种形式的能量。例如，燃料电池可以将燃料（氢气、甲醇、金属镁/铝/锌等）的化学能直接转化为电能；又例如陶瓷加热器可以通过电阻加热将将电能转化为热能；压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能；半导体制冷采用用特种半导体材料，做成制冷器件，不用制冷剂，通电后直接制冷。下文以京瓷的产品作为参考整理一下相关陶瓷部件应用的信息。

来源：KYOCERA

一、陶瓷加热器

1、氮化硅加热器

京瓷官网对氮化硅加热器的特征表述：2秒以内到达1，000℃，最高使用温度1，400℃。

▲京瓷氮化硅加热器

1.1、应用案例：电热塞、各类高温气体点火

氮化硅加热器可以作用于柴油机启动预热、各类高温气体点火。电热塞是作为车用柴油机的辅助冷起动措施而出现的。不仅大幅度地改善了柴油机的冷起动性能，而且是提高其起动时排放指标的行之有效措施。

1.2、新兴应用：曲面玻璃加工

5G手机为了降低高频信号损耗，后盖多采用玻璃材质。手机3D曲面玻璃采用CNC加工，工时长，效率低，目前基本都是采用热弯机。玻璃成型过程中，热弯机需要升温至1000℃以上，对加热器要求较高。氮化硅发热件正适用于曲面玻璃加工，氮化硅主要由Si3N4组成，耐热冲击性强，耐高温强度佳。

2、氧化铝加热器

陶瓷加热器是利用陶瓷材料为载体，将发热体印刷在陶瓷体内部，一体烧结成型的。这种构造能够完全密闭，可以设计非常精巧的发热线路。另外，发热线路的设计也非常灵活，可任意调整形状及功率，还可设计多个线路以实现切换温度传感的功能。

氧化铝加热器是以高可靠性集成电路用陶瓷封装中的陶瓷层叠技术为基础开发的，可靠性非常高的工业用加热器。最高使用温度1，000℃，常规使用温度800℃。（来源京瓷产品描述）。此外，在此外珠海惠友的官网描述中我们了解到氧化铝陶瓷发热体在通电工作时，10S内发热片表面可达200℃，30秒钟内可上升到800℃，长期使用温度可达500-700℃（已经实用化的PTC发热材料的最高温度为300℃）。

应用案例：①智能马桶加热器：氧化铝加热器可用于智能马桶瞬间即时加热，不需要热水储水罐；②气体传感器加热器：提升气体传感器可靠性，缩短启动时间。

3、PTC陶瓷加热器

PTC（PositiveTemperatureCoefficient）陶瓷，亦称“正温度系数热敏陶瓷”。一类电阻在常温下很小，但会随温度升高到某一特定温度(转变温度)而突然增大千倍至百万倍，温度下降又恢复原状的陶瓷。PTC加热器又叫PTC发热体，采用PTC陶瓷发热元件与铝管组成。PTC加热器应用领域广泛，下游应用涉及到汽车、空调、暖风扇、干燥机、干衣机等领域。

▲PTC加热器原理及功能：①带电型空气加热器容易获得较大的功率，成本也比较低；但是由于散热器是带电的，容易存在安全隐患；②绝缘型空气加热器，散热器与PTC陶瓷加热片是由绝缘的，散热器不带电。绝缘型空气加热器比较安全，但是功率较低，成本较高。

▲空调的电辅热技术是PTC电辅热技术

它的基片是钛酸钡与微量的镧族元素，烧结而成的陶瓷半导体，其电阻率随温度升高按指数关系增加。其次随着掺入钛酸钡中微量元素品种和含量不同，其电阻率也就不同。BaTi03(BT)的居里点是120℃，现在市场上居里点超过120℃的PTC热敏电阻材料(简称PTC材料)几乎全都是通过加铅来实现的。但铅会危害人们的身体健康及产生环境污染。人们一直试图研究出环保型无铅高居里点PTC材。实用化的PTC发热材料最高温度为300摄氏度。

▲PTC加热片的制备工艺

二、压电陶瓷

压电陶瓷是一种能将机械能和电能相互转换的功能陶瓷，在谐振器、传感器、超声换能器、驱动器、滤波器、电子点火器等方面有着广泛的应用。

1、压电陶瓷的应用领域

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。而高频电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之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。精密的压电陶瓷，在严酷的环境下也能在千分之一秒到数十分之一秒的间隔内，实现从纳米到几百微米的变形震动，然后高速准确的重复。

2、常见的压电陶瓷材料

钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。

锆钛酸铅Pb(Zr·Ti)O3。系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。

铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。

三、固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池（solidoxidefuelcell，SOFC）是最高效率的燃料电池，也称作陶瓷燃料电池，是一种在中高温下将各种燃料气（天然气、垃圾填埋气、煤气、甲醇等）的化学能高效地转化为电能的全固态燃料电池。SOFC由电解质（陶瓷材料）、阳/阴极、连接体（陶瓷或合金）构成单电池，再由多个单电池构成电堆。京瓷的SOFC:精密陶瓷设计·制造·测评技术，可实现产品9万小时连续工作的，360次启停，12年设计寿命。

1、应用领域

数百瓦～数千瓦功率的SOFC（固体氧化物燃料电池）期待活跃在通信基站、信号机、管道监视等领域。数百瓦～数千瓦功率的SOFC（固体氧化物燃料电池）还活跃在家庭、便利店、餐饮店、理发店等应用场景（来源KYOCERA）。

2、常见的固体电解质：

固体电解质是SOFC的核心部件，目前研究较多的ZrO2基电解质、CeO2基电解质和Bi2O3基电解质均为萤石结构的固体电解质。其中CeO2基电解质在低温下具有较高的离子电导率，但容易被还原，引入电子电导，从而降低能量转化效率。Bi2O3基电解质有最高的离子电导率，但是稳定性较差，至今没有得到广泛应用。具有钙钛矿结构的LSGM电解质在低温时具有较高的氧离子电导率，是目前综合性能较好的一种低温电解质材料。La2Mo2O9电解质在580℃有结构相变，并且其易与电极发生反应限制了它的发展。

四、半导体制冷模块/热电模块/Peltier元件/热电致冷器

热电制冷（亦名温差电制冷、半导体制冷、电子制冷）是以温差电现象为基础的制冷方法，它是利用“塞贝克”效应的逆反应-珀尔帖Peltier效应的原理达到制冷目的。塞贝克效应就是在两种不同金属组成的闭合线路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两接触点间产生一个电势差--接触电动势，同时闭合线路中就有电流流过，称为温差电流。反之，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热，这称为珀尔贴效应，亦称温差电现象。

纯金属的热电效应很小，若用一个N型半导体和一个P型半导体代替金属，效应就大得多。接通电源后，上接点附近产生电子-空穴对，内能减小，温度降低，向外界吸热，称为冷端。另一端因电子-空穴对复合，内能增加，温度升高，并向环境放热，称为热端。一对半导体热电元件所产生的温差和冷量都很小，实用的半导体制冷器是由很多对热电元件（半导体晶粒）经并联、串联组合而成，也称热电堆。将这些组合的晶粒上下面覆盖陶瓷片或其它导热的绝缘材料，在通电的状态下，便形成一面吸热、一面放热的效应。其结构及原理图如下：

▲制冷片原理图（来源：一冷科技）

▲珀耳帖元件

1、相关材料：

半导体制冷器可用的陶瓷材料有Al2O3（96%氧化铝）、BeO（氧化铍）、AlN（氮化铝）等。其中，氧化铍和氮化铝的热传导率较高，但氧化铍生产要求高，所以很少使用，而氮化铝的成本相较氧化铝高，可用于要求较高的产品。因此，氧化铝在半导体制冷器中应用最广泛。目前热电模块最常用到的半导体热电材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金。通过掺杂得到P型和N型碲化铋半导体热电材料。其中P型是Bi2Te3-Sb2Te3，N型是Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直区熔法提取晶体材料。

热电致冷器应用领域：目前热电制冷模块已在半导体、消费电子、汽车、工业、航空、医疗、通信等领域内多个场景实现广泛应用。

2、应用领域：汽车座椅温度调节

半导体制冷模块/热电模块/Peltier元件具备加热和冷却两种效果的热控制模块。通过电流使表面温度变化，可以持续保持在设定的目标温度(温度调节)。

通过在驾驶员座椅，前排乘客座椅甚至后排座椅上使用热电模块，使座椅中散发出冷热的空气，以调节车体温度，即使长时间仍可舒适驾驶。（来源：Ferrotec Material Technologies --Peltier Type Climate Control Seat）

3、应用领域：消费电子

消费电子领域是目前半导体热电制冷技术一个大的应用市场，其最典型的应用是在有限的空间内制冷或通过制冷、制热实现精确控温，如恒温酒柜、电子冰箱、冷热型饮水机、电子空调、啤酒机、恒温床垫、除湿机、手机散热夹、水离子吹风机等。

4、应用领域：通讯电力

网络及通讯技术的快速发展，对讯号传输的品质及速度提出了更高要求。器件性能不断提升，封装尺寸不断缩小，造成器件的发热密度不断提升，如果热无法迅速散去，会造成产品可靠度降低，甚至损毁的严重后果。对于光通讯器件而言，除了散热，温度的控制更为重要。半导体制冷模组可以通过对输入电流的控制，实现高精度的温度控制，再加上其体积小，制冷效率高的特点，非常适用于光通讯器件的精密温度控制。

部分产品应用参考来源：KYOCERA官网

 

编辑：粉体圈Alpha

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