壓電陶瓷從原理到應用 

從物理效應到工業應用

"piezo"（壓電）一詞是從希臘語中的“壓力”一詞派生而來的。1880年，雅克.保羅.居里和皮埃爾.居里發現施加壓力能在石英、電氣石等多種晶體中產生電荷，他們將這種現象稱為"piezoelectric effect"（壓電效應）。后來，他們發現電場可以使壓電材料變形。這種效應被稱為"inverse piezoelectric effect"（逆壓電效應）。當科學家發現在施加電場時鈦酸鋇能在一個有效范圍內利用壓電特性，產業突破便伴隨著壓電陶瓷而來。壓電效應目前用于點火器、揚聲器和信號轉換器等多種日常用品。此外，由于內燃機中的壓電控制噴射閥減少了傳遞時間，大大改善了平滑度和廢氣質量，壓電促動器技術也在汽車技術中得到認可。

正、逆壓電效應

在壓電材料表面施加壓力可以產生電荷。這種直接壓電效應，也稱發電機或傳感器效應，將機械能轉換為電能。反之，施加一定電壓時，逆壓電效應可以改變此類材料的長度。這種促動器效應將電能轉換成機械能。單晶材料和多晶鐵電陶瓷中都可產生壓電效應。在單晶中，晶格晶胞的不對稱結構，即低于居里溫度TC 時形成的極軸，是產生這種效應的充分必要條件。此外，壓電陶瓷具有自發極化特性，即晶胞的正負電荷濃度相互分離。同時，晶胞的軸線沿自發極化。

極化壓電陶瓷的膨脹

一旦施加電場，陶瓷就會膨脹，極化場強將會減弱。這種效應一部分是因為晶格中離子的壓電位移，稱為內在效應。 外在效應是基于晶胞的可逆鐵電重定向。它隨著驅動場強度的增大而增大，是鐵電壓電陶瓷大部分非線性遲滯和漂移特性的原因所在。

                              機電性能

極化壓電材料可由若干種系數和關系進行定性。 
電氣和彈性特性之間的基本關系可以用如下簡化公式表示：

這些關系僅適用于較小的電氣和機械振幅，即所謂的小信號值。在此范圍內，機械、彈性變形S或應力T和電場E或電通量密度D之間是線性關系，系數值是常數。可在材料數據表中找到這些小信號系數。

動態行為

激發振蕩的壓電體的機電特性可用電氣等效電路圖表示。C0是指介質的電容。包含C1、L1和 R1的串聯電路描述了彈性變形、有效質量（慣性）和內部摩擦產生的機械損失等機械性能的變化。然而，此振蕩電路的描述僅適用于機械固有諧振附近的頻率。大多數壓電材料參數是通過對共振時的特殊試驗體進行阻抗測量來確定。串聯和并聯共振都被用來確定壓電參數，分別對應最小阻抗fm和最大阻抗fn的充分逼近值。

壓電陶瓷元件的振蕩狀態

振蕩狀態或模式與變形是由個體的幾何形狀、機械-彈性特征以及電場和極化的方向決定的。

壓電陶瓷是一種能將機械能和電能相互轉換的功能陶瓷，在諧振器、傳感器、超聲換能器、驅動器、濾波器、電子點火器等方面有著廣泛的應用。鋯鈦酸鉛（Pb(Zr1-xTiO3)，PZT）陶瓷具有優良的壓電、介電性能。由于其穩定性好，精度高，能量轉換效率高，響應速度快，機械品質因子、壓電系數、機電耦合常數明顯優于無鉛壓電陶瓷，被廣泛應用于壓電傳感及驅動領域，如超聲換能器等，對結構健康檢測、能量采集等領域具有重大意義。

PZT壓電陶瓷的發展歷程

1942年人們發現了BaTiO3的壓電性，由于其介電常數較高，很快獲得應用發展，至今仍用于制作聲吶裝置的振子和聲學計測裝置以及濾波器等，但因存在頻率溫度穩定性欠佳等問題。

1954年美國的研究人員發現鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷具有良好的壓電性能，其機電耦合系數近于BaTiO3的一倍。在之后的30年間，PZT以其強又穩定的壓電性能成為應用*的壓電材料，該種材料的出現使得壓電器件從傳統的換能器及濾波器擴展到引燃裝置、電壓變壓器及壓電發電裝置等。如果把BaTiO3作為單元系壓電陶瓷的代表，那么PZT可作為二元系壓電陶瓷的代表。PZT壓電陶瓷由于它的性能參數多樣性、振動模式的研究與開發利用以及器件制作技術的進步等因素，促使它在近十年來發展甚為迅速，應用日趨廣泛。

PZT壓電陶瓷的制備流程

（1）坯體制備

采用干壓成型的方式制備坯件，干壓成型前應先將粉料造粒，即在粉料中加入占料中約5%的黏合劑，攪拌均勻并過篩，再進行預壓塊，最后將預壓塊研碎并過細篩。造粒的目的不僅使黏合劑更加均勻地分布在粉料中，而且由于顆粒本身已經壓緊，壓料中空氣又少，并較易排出，因此利于成型，成型樣品密度更加均勻。

（2）瓷件燒結和機械加工

干壓成型后的坯件，需要通過高溫燒結才能成瓷。燒結是顆粒重排靠近，使材料致密化以及晶粒生長的過程，過高的燒結溫度使陶瓷晶粒生長過大或組織結構不均勻，而燒結溫度過低則會導致晶粒發育不*，這些都會導致PZT壓電陶瓷元件的壓電性能受到影響。

（3）上電極

PZT壓電陶瓷元件兩級間需要有金屬電極才能導電，發揮壓電性。傳統的上電極方法有很多種，如燒滲銀層、真空蒸鍍、化學沉銀和化學沉銅等。

（4）極化

PZT壓電陶瓷元件上電極后，需要經過極化才能顯示壓電效應。要使壓電陶瓷得到完善的極化，充分發揮其壓電性能就必須合理地選擇極化條件，即極化電場、極化溫度和極化時間。只有在極化電場作用下，電疇才能沿電場方向取向排列，極化電場越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化就越完善。

PZT壓電陶瓷的應用

近年來，PZT壓電陶瓷在包括但不限于以下幾個方面得到了應用：

（1）高位移新型壓電制動器

（2）壓電變壓器

（3）用于主動減震和降噪的壓電器件

（4）醫用微型壓電陶瓷傳感器