一、壓電陶瓷材料

壓電陶瓷材料是一種利用壓電效應將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料。所謂的壓電效應是指某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應。

正逆壓電效應

二、壓電陶瓷材料的發展歷程

1880年

法國物理學家居里兄弟首先發現電氣石的壓電效應，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，給出石英相同的正逆壓電常數。

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。

第一次世界大戰

居里的繼承人郎之萬，最先利用石英的壓電效應，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等人發現了比BaTiO3壓電性能更優越的鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷，促使壓電器件的應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。

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，都會給生態環境和人類社會可持續發展帶來危害。2017年8月，歐盟RoHS 2.0版指令規定2021年歐盟市場將不再豁免部分鉛基壓電產品。環境友好型無鉛壓電材料將在部分領域逐漸替代鉛基壓電材料。因此，發展環境友好的無鉛壓電材料已經成為目前國際上功能材料領域的重要科學前沿和技術競爭焦點之一。

三、壓電陶瓷材料的應用

由于壓電陶瓷材料具有正逆壓電效應，其在壓電傳感器、驅動器、換能器和濾波器等器件中得到了廣泛的應用。應用范圍覆蓋航空航天、軍事、信息電子、工業機械、醫療、汽車等眾多領域。據統計，預計2026年全球壓電材料與器件市場規模將達354億美元。其中，我國壓電材料與器件的生產、使用、出口占比全球規模60%以上。

①壓電換能器

壓電超聲換能器是水下發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，同時產生振動發射聲波，這就是超聲波發射器。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生壓力，進而產生一種電荷，其電荷在經過傳感器內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，接著將產生的電量釋放出去，保證傳感器的正常運轉。在聲學、醫學、力學、導航方面都得到廣泛的應用。

③壓電驅動器

壓電驅動器是利用壓電材料的逆壓電效應來實現運動控制。當施加電場時，壓電材料會發生機械應變，從而產生運動。這種運動可以用于驅動機械系統，實現精確的位置控制和運動控制。壓電驅動器的應用非常廣泛，包括精密儀器、光學設備、機器人、航空航天等領域。

來源：烏鎮實驗室

原文鏈接：https://www.wuzhenlab.com/news/laboratory-highlights-186.html