壓電陶瓷(piezoelectric 陶藝)是一種可以將機械能和電能進行相互轉換的陶瓷材料。這一特殊功能又被稱為壓電特性，與一般的陶瓷相比，壓電陶瓷需要經過極化工藝才能具備壓電特性。壓電陶瓷除具有壓電性外，還具有介電性、彈性等，已被廣泛應用于醫學成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達等。
壓電陶瓷的誕生可以追溯到1942年，鈦酸鋇的發現（最早的壓電陶瓷材料），鈦酸鋇[bèi]壓電陶瓷的發現是壓電材料的一個飛躍。隨著后面的發展，鋯鈦酸鉛二元系、三元系等壓電陶瓷材料相繼被人們制作和應用。
壓電陶瓷不僅兼備機械能-電能雙向轉換的優點，還具有靈敏度高，反應速度快，輸出載荷大，成本低廉，性能優異等諸多優點。常用于各種聲電設備、電力電壓技術和濾波器等領域。
發展歷史
1880年，壓電效應最早被居里兄弟（J.Curie和P.Curie）發現。
1942到1945年間，美國的韋納、前蘇聯的伍爾和戈德曼、日本的小川等發現鈦酸鋇()具有異常大的介電常數。
1946年，麻省理工學院得希普爾(Hipple)證實了是新得鐵電體。同年，希普爾同一實驗室的羅伯特(Robert)發現這種鐵電陶瓷具有壓電效應。鈦酸鋇壓電陶瓷的發現是壓電材料的一個飛躍。
1947年，美國Roberts在BaTiO3陶瓷上通過高壓極化處理獲得壓電性，隨后日本開展利用該材料制作超聲換能器、傳感器等器件的研究，持續至50年代中期。
1952年，美國賈菲（B.Jaffe）等人發現了鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷（PZT）固溶體系統。PZT因其優越的性能，很長一段時間內在壓電陶瓷領域處于統治地位。壓電陶瓷的發展也因此進入了新的階段。
20世紀60年代以后，開始出現三元系壓電陶瓷。由于其優異的工作特性，使其在許多方面得到了進一步的發展和應用。
結構和原理
壓電陶瓷是一種可以將機械能和電能進行相互轉換的陶瓷材料。這一特殊功能又被稱為壓電特性。壓電特性只會發生在非中心對稱的晶體結構中(如四方晶體、六方晶系等)，對于對稱性很高的晶體結構(如立方晶系)，其內部無法形成電偶極矩，也就無法展現出壓電特性。壓電陶瓷中的壓電效應來源于其微觀構造在極化工藝后的改變。
極化前的結構
自發極化與電疇
壓電陶瓷是由許多晶粒形成的多晶材料，晶粒大小各異且雜亂排布，每個晶粒又是由周期性排列的晶胞構成。
對于對稱性低的晶胞(如四方晶系)，會由于正負電荷中心的偏離，產生電極化，形成偶極矩，稱為自發極化。為了使體系能量最低，鄰近的晶胞的自發極化會趨向一致，形成自發極化相同的小塊區域，稱為電疇，相鄰的電疇之間會形成電疇壁。
宏觀電極性
雖然電疇帶有電極性，但一方面由于不同的晶粒取向不同，另一方面相鄰的電疇取向也是隨機的，使得宏觀上，電疇附有的電極性會相互抵消，壓電陶瓷對外不呈現極性。
極化后的結構
電疇運動
當外部施加高直流電場，整個壓電陶瓷的內部的自發極化方向會趨于一致，電疇也會在電場作用下運動，方向趨向和電場相同的方向，這時壓電陶瓷便具有極性。另外，電疇發生運動的一大特點就是，壓電陶瓷會沿著電場方向產生形變。
剩余極化強度
極化工藝后，雖然壓電陶瓷沒有外加電場，但內部會由于極化時的電疇運動仍然存在一定的極化強度，稱為剩余極化強度。
剩余極化強度是壓電陶瓷表現出壓電效應的基礎，這是因為剩余極化產生的電偶極矩作用，會在壓電陶瓷表面吸附自由電荷，而壓電陶瓷可以通過外部作用力改變內部的電偶極矩，從而改變吸附電荷量，形成壓電效應。
壓電陶瓷的壓電效應
正壓電效應
當壓電陶瓷外部受力，沿著剩余極化方向被壓縮，會導致剩余極化表現出的偶極矩減小，壓電陶瓷原來吸附的自由電荷部分被釋放(或者吸附異號電荷)，對外表現出放電，這一特性就是正壓電效應。并且偶極矩的減小量與施加的力成正比，也就表現為施加的力與壓電陶瓷對外放電量成正比。
逆壓電效應
當壓電陶瓷外部施加電場時(方向與極化方向一致)，會使得極化強度增大，電疇進一步運動，進而使得壓電陶瓷沿電場方向形變增加，這種將電能轉換為機械能的特性稱為逆壓電效應。并且壓電陶瓷的形變量與外加電場強度成正比。
溫度對壓電陶瓷的影響
壓電陶瓷之所以具備壓電特性的一個基本出發點就是，壓電陶瓷內部的晶胞需要是可以形成自發極化的低對稱性晶系(如四方晶系)的晶胞；對于無法高對稱性晶系(如立方晶系)，由于無法產生自發極化，也就不具備壓電特性。
而壓電陶瓷的晶體結構并不是固定的，它會在一定的溫度下發生改變，甚至從一種晶系變成另外一種晶系，在物理學上，這種改變被稱作相變。
一般的壓電陶瓷，通常會存在一個使其壓電特性發生改變的相變溫度點；如鈣鈦礦型壓電陶瓷，它在室溫下為四方晶系，磁性為鐵電態，當溫度超過某一溫度時，其晶系將轉變為立方晶系，磁性為順電態，也就失去了壓電特性。這一溫度也被稱為居里點，通常的壓電陶瓷材料，只有在處于居里溫度以下時，才存在壓電特性。
性能特點
優點
相比傳統(石英)單晶壓電材料，壓電陶瓷不僅具有壓電系數高，介電常數高，居里點低，機械強度低，靈敏度高，反應迅速，輸出載荷大的優勢，而且壓電陶瓷的特性還有較大的易于調控的性能參數的調節范圍。
此外壓電陶瓷在實際應用時還具備下面諸多優點：
缺點
性能參數
機械品質因數
機械品質因數是用來表示當壓電片發生機械振動時，其內部能耗的大小。具有較高的機械質量因素，可減少能源損失。機械品質因數越大，內部能耗越小。
機電耦合系數
機電耦合系數K是表征壓電陶瓷工作時，機械能與電能之間轉換的能力的一個重要參數。
從能量守恒的角度，機電耦合系數K始終是一個小于1的值，K越大，壓電陶瓷轉換機械能和電能的能力越強。
彈性系數
基于逆壓電效應，在交流電磁場的驅動下，壓電材料將以電場相同的頻率，不斷產生伸縮形變，即形成了受迫振動。此時的壓電陶瓷稱為壓電陶瓷振子。事實上，壓電陶瓷元件在共振狀態下發生的變形非常微小，通常被認為是一種彈性變形，可以用彈性系數來描述材料應力和應變間的關系。
壓電常數
壓電常數一般包括壓電應變常數、壓電應力常數、壓電勁度常數、壓電電壓常數，()，第一個下標表示電學量的方向，第二個下標表示力學量的方向。它們通過壓電方程，與應力T、應變S，電場E，電勢移D等力學、電學參量耦合在一起。通常可以用于反應壓電效應的強度。
壓電應變常數
或者
或者
壓電勁度常數
或者
壓電電壓常數
或者
常見壓電陶瓷類型
常見的壓電陶瓷分為鈣鈦礦型結構壓電陶瓷，鎢青銅型壓電陶瓷以及含鉍層狀結構型壓電陶瓷。下面的圖3展示了常見壓電陶瓷的分類。
鈣鈦礦型結構壓電陶瓷
(1)鈣鈦礦型結構
鈣鈦礦型結構的晶體，常以化學通式ABO表示。通式中的A位和B位都是正離子，O為氧陰離子，也可以是F、Cl、S元素的負離子。許多重要的壓電陶瓷均以鈣鈦礦型結構存在(居里點以下為四方晶系、居里溫度以上為立方晶系)，也是應用最廣泛的壓電陶瓷。
(2)鈦酸鋇壓電陶瓷
(3)鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷
(4)復合鈣鈦礦系壓電陶瓷(三元系壓電陶瓷)
一般三元系壓電陶瓷離子組合方式見下表。常見有、、等等。
鎢青銅型壓電陶瓷
(1)鎢青銅結構
鎢青銅結構的材料一般在居里點以下為非中心的晶系結構(受成分差異影響)，在居里溫度以上為立方晶系。它來源于化合物。鎢青銅結構的特征是存在著[]式氧八面體，其中B以、等離子為主，他們填充于氧八面體中心；另外氧八面體骨架會形成不同類型的空隙，這些空隙可以被其他正離子填充，按照空隙是否填滿的狀態可以分為非填滿型鎢青銅結構和完全填滿型青銅結構。
(2)偏鈮酸鉛壓電陶瓷
(3)偏鈮酸鉛鋇壓電陶瓷
(4)鈮酸鉛鋇鈉鋰系壓電陶瓷
含鉍層狀結構型壓電陶瓷
制備工藝
流程概覽
壓電陶瓷的制備工藝與一般的陶瓷非常相近，一般的工藝流程如圖5所示除了陶瓷所需的配料、球磨、過濾、排塑、燒結等工藝外，壓電陶瓷還需要額外的上電極和極化工藝。
上電極
釋義：上電極是指將一種高導電性、粘接強度高的銀膜覆蓋于已被燒制的陶瓷上，并將其用作電極。燒成的陶瓷在上電極之前通常還會對其表面進行粗細打磨、拋光等處理，目的為了去掉表面的凸出部分，同時可以使得電極和瓷體更加緊密地結合。
目的：一是利用電極作為傳輸電荷的載體，二是為極化工藝做準備。
極化
釋義：極化是為了使壓電陶瓷內部的電疇在電場作用下發生取向性變化，實現電疇由各向異性變為各向異性。
目的：是為了使得壓電陶瓷中地鐵電疇在外加電場作用下，沿電場方向定向排列，從各相同性轉變為各向異性，顯示處壓電效應。
應用
用于點火
利用壓電效應，當壓電陶瓷受到外加壓力時，壓電陶瓷將產生高壓，通過高壓引線形成電火花，用于點火，常見設備如壓電打火機等。
用于聲電設備
水聲換能器
水聲換能器是壓電陶瓷的一項重要應用，它利用壓電陶瓷同時具備產生聲音信號和接收聲音信號的能力實現水下探測。要求具有高的驅動特性，高靈敏，和平坦的頻率響應，各項參數的穩定性好。
超聲波延遲線
超聲波延遲線是利用壓電陶瓷制作的聲電換能器，它先能將電信號轉換成超聲振動，經過介質傳輸后再通過換能器轉換為電信號，利用超聲波在介質中傳播比電信號傳播慢得多的特點，從而達到信號延遲的目的。
其他聲電設備
揚聲器、送受話器、蜂鳴器、聲級校準器、測蟲拾音器，用于探測糧庫中害蟲活動聲音。
用于電力技術
電壓發生器
原理：利用壓電陶瓷可以制作壓電發生器，它是基于壓電效應的一種機電能量轉換器。利用碰撞、發射或專門的氣體發生器的瞬時強壓，施加在壓電陶瓷，使其產生瞬時脈沖高壓，用作引信的電源。
用途：一般用作破甲彈壓電引信電源和引信第二輔助電源，還可以用作引信的環境傳感器，如加速度傳感器、沖擊力傳感器等。
壓電變壓器
原理：同一壓電陶瓷，同時利用正壓電效應和逆壓電效應，實現從電能到機械能再到電能的轉換，以此來達到升降壓的功能。
優勢：沒有繞組結構，結構輕小；電壓變比大、效率高、能量密度高；安全穩定、抗電磁干擾及噪聲；沒有燃燒、漏磁和電磁輻射污染等問題。
壓電超聲馬達
原理：壓電超聲馬達是利用壓電陶瓷的逆壓電效應的新型微電動機，在電流驅動下，壓電陶瓷產生超聲振動，通過諧振進行放大，通過摩力將振動部分的能量傳遞到驅動結構。
優勢：該結構簡單，重量輕，扭矩大，功耗低，響應速度快，具有很好的抗電磁輻射性能。
用于濾波器
壓電陶瓷濾波器是利用壓電陶瓷的諧振效應，將信號波段進行分割和選擇性通過。
參考資料 >