一、壓電陶瓷材料
壓電陶瓷材料是一種利用壓電效應(yīng)將機械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。所謂的壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。
正逆壓電效應(yīng)
二、壓電陶瓷材料的發(fā)展歷程
1880年
法國物理學家居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)電氣石的壓電效應(yīng)，從此開始了壓電學的歷史。
1881年
居里兄弟實驗驗證了逆壓電效應(yīng)，給出石英相同的正逆壓電常數(shù)。
1894年
德國物理學家 Woldemar Voigt 指出，僅無對稱中心的二十種點群的晶體才有可能具有壓電效應(yīng)。
第一次世界大戰(zhàn)
居里的繼承人郎之萬，最先利用石英的壓電效應(yīng)，制成了水下超聲探測器，用于探測潛水艇，從而揭開了壓電應(yīng)用史篇章。
1947年
美國Roberts在BaTiO3陶瓷上施加高壓進行極化處理，獲得了壓電陶瓷的電壓性。隨后，日本積極開展利用BaTiO3壓電陶瓷制作超聲換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器等各種壓電器件的應(yīng)用研究，這種研究一直進行到50年代中期。
1955年
美國B.Jaffe等人發(fā)現(xiàn)了比BaTiO3壓電性能更優(yōu)越的鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷，促使壓電器件的應(yīng)用研究又大大地向前推進了一大步。
80年代后期至今
人們研制出馳豫鐵電體陶瓷材料，在此基礎(chǔ)上又成功研制出馳豫鐵電體單晶材料，為三維超聲波成像奠定了基礎(chǔ)。
目前廣泛使用的以鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷為代表的鉛基壓電材料，在制備、使用、回收和廢棄過程中，都會給生態(tài)環(huán)境和人類社會可持續(xù)發(fā)展帶來危害。2017年8月，歐盟RoHS 2.0版指令規(guī)定2021年歐盟市場將不再豁免部分鉛基壓電產(chǎn)品。環(huán)境友好型無鉛壓電材料將在部分領(lǐng)域逐漸替代鉛基壓電材料。因此，發(fā)展環(huán)境友好的無鉛壓電材料已經(jīng)成為目前國際上功能材料領(lǐng)域的重要科學前沿和技術(shù)競爭焦點之一。
三、壓電陶瓷材料的應(yīng)用
由于壓電陶瓷材料具有正逆壓電效應(yīng)，其在壓電傳感器、驅(qū)動器、換能器和濾波器等器件中得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用范圍覆蓋航空航天、軍事、信息電子、工業(yè)機械、醫(yī)療、汽車等眾多領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，預(yù)計2026年全球壓電材料與器件市場規(guī)模將達354億美元。其中，我國壓電材料與器件的生產(chǎn)、使用、出口占比全球規(guī)模60%以上。
①壓電換能器
壓電超聲換能器是水下發(fā)射和接收超聲波的水聲器件。處于水中的壓電換能器在聲波的作用下，換能器兩端會感應(yīng)出電荷，這就是聲波接收器；若在壓電陶瓷片上施加一個交變電場，陶瓷片就會時而變薄時而變厚，同時產(chǎn)生振動發(fā)射聲波，這就是超聲波發(fā)射器。壓電換能器被廣泛用作水中導航、海洋探測、超聲清洗、固體探傷以及醫(yī)學成像、超聲診斷、超聲疾病治療。
②壓電傳感器
壓電式傳感器工作時會在壓電元件上產(chǎn)生壓力，進而產(chǎn)生一種電荷，其電荷在經(jīng)過傳感器內(nèi)部的放大器和變換抗阻等元件后，將形成與外部壓力成正比的電量，接著將產(chǎn)生的電量釋放出去，保證傳感器的正常運轉(zhuǎn)。在聲學、醫(yī)學、力學、導航方面都得到廣泛的應(yīng)用。
③壓電驅(qū)動器
壓電驅(qū)動器是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)來實現(xiàn)運動控制。當施加電場時，壓電材料會發(fā)生機械應(yīng)變，從而產(chǎn)生運動。這種運動可以用于驅(qū)動機械系統(tǒng)，實現(xiàn)精確的位置控制和運動控制。壓電驅(qū)動器的應(yīng)用非常廣泛，包括精密儀器、光學設(shè)備、機器人、航空航天等領(lǐng)域。
來源：烏鎮(zhèn)實驗室
原文鏈接：https://www.wuzhenlab.com/news/laboratory-highlights-186.html