一、壓電材料概述

　　壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。

　　受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。1880年，法國物理學家P. 居里和J.居里兄弟發現，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現象被稱為壓電效應。隨即，居里兄弟又發現了逆壓電效應，即在外電場作用下壓電體會產生形變。壓電效應的機理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當受到外力作用發生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現異號電荷。反之，壓電材料在電場中發生極化時，會因電荷中心的位移導致材料變形。

　　利用壓電材料的這些特性可實現機械振動（聲波）和交流電的互相轉換。因而壓電材料廣泛用于傳感器元件中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測量元件以及電聲傳感器等。這類材料被廣泛運用，舉一個很生活化的例子，打火機的火花即運用此技術。

　　二、壓電材料主要特性

　　一般來說，壓電材料應具備以下幾個主要特性：

　　（1）轉換特性：要求具有較高的壓電常數d33；

　　（2）機械性能：機械強度高、剛度大；

　　（3）電性能：高電阻率和高介電常數，防止加載驅動電場時被擊穿；

　　（4）環境適應性：溫度和濕度穩定性好，要求具有較高的居里點，工作溫度范圍寬；

　　（5）時間穩定性：要求壓電性能不隨時間變化，增強壓電材料工作穩定性和壽命。

　　三、壓電材料原理

　　壓電現象是100多年前居里兄弟研究石英時發現的。那么，什么是壓電效應呢？ 當你在點燃煤氣灶或熱水器時，就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務了一次。生產廠家在這類壓電點火裝置內，藏著一塊壓電陶瓷，當用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產生很高的電壓，進而將電能引向燃氣的出口放電。于是，燃氣就被電火花點燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。

　　壓電效應的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓，則產生機械應力（稱為逆壓電效應）。如果壓力是一種高頻震動，則產生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產生高頻聲信號（機械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能，這種相互對應的關系確實非常有意思。

　　壓電材料可以因機械變形產生電場，也可以因電場作用產生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用。例如，壓電材料已被用來制作智能結構，此類結構除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應性和自修復性等功能，在未來的飛行器設計中占有重要的地位。

　　四、壓電材料的主要參數

　　（1）壓電常數：壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，它直接關系到壓電輸出的靈敏度。

　　（2）彈性常數：壓電材料的彈性常數、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態特性。

　　（3）介電常數：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

　　（4） 機械耦合系數：在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根； 它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數。

　　（5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。

　　（6）居里點：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。 標簽：直線位移傳感器 拉繩位移傳感器 磁致伸縮位移傳感器 潤滑油泵 角度位移傳感器

　　五、常用的壓電材料

　　第一類是無機壓電材料，分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體一般是指壓電單晶體；壓電陶瓷則泛指壓電多晶體。

　　壓電陶瓷是指用必要成份的原料進行混合、成型、高溫燒結，由粉粒之間的固相反應和燒結過程而獲得的微細晶粒無規則集合而成的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷，實際上也是鐵電陶瓷。在這種陶瓷的晶粒之中存在鐵電疇，鐵電疇由自發極化方向反向平行的180 疇和自發極化方向互相垂直的90疇組成，這些電疇在人工極化（施加強直流電場）條件下，自發極化依外電場方向充分排列并在撤消外電場后保持剩余極化強度，因此具有宏觀壓電性。如：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。這類材料的研制成功，促進了聲換能器，壓電傳感器的各種壓電器件性能的改善和提高。

　　壓電晶體一般指壓電單晶體，是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結構無對稱中心，因此具有壓電性。如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。

　　相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數高、可以加工成任意形狀，但機械品質因子較低、電損耗較大、穩定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應用，但對高頻、高穩定應用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數很低，受切型限制存在尺寸局限，但穩定性很高，機械品質因子高，多用來作標準頻率控制的振子、高選擇性（多屬高頻狹帶通）的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。近來由于鈮鎂酸鉛Pb（Mg1/3Nb2/3）O3單晶體（Kp ≥90%， d33≥900×10-3C/N， ε≥20，000）性能特異，國內外上都開始這種材料的研究，但由于其居里點太低，離使用化尚有一段距離。

　　第二類是有機壓電材料，又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它為代表的其他有機壓電（薄膜）材料。這類材料及其材質柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數（g）等優點為世人矚目，且發展十分迅速，現在水聲超聲測量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應用。不足之處是壓電應變常數（d）偏低，使之作為有源發射換能器受到很大的限制。

　　第三類是復合壓電材料，這類材料是在有機聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構成的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫學等領域得到廣泛的應用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。

　　六、壓電材料分類及其應用

　　壓電材料分為壓電單晶體，多晶體壓電陶瓷、高分子壓電材料及聚合物-壓電陶瓷復合材料四類。由于其具有不同的工藝及應用特點，因此應用領域各有不同。在這四類壓電材料中，壓電陶瓷占據有相當大的比重，也是目前市場上應用最為廣泛的壓電材料。

　　（1）壓電單晶體：石英、水溶性壓電晶體（酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸鉀等）；

　　（2）多晶體壓電陶瓷：代表性的壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等；

　　（3）高分子壓電材料：極性高分子材料如聚偏氟乙烯，其具有低聲學阻抗特性，柔韌性良好，可以制作極薄的組件。但同時也存在壓電參數小、極化電場高的缺點；

　　（4）聚合物-壓電陶瓷復合材料：柔韌性良好，可制作極薄的組件，壓電陶瓷的加入可以改善高分子壓電材料壓電常數小、極化電場高的缺點。

　　壓電材料的晶體結構可分為鈣鈦礦結構、鎢青銅結構、鉍層狀結構等。

　　壓電材料的晶體結構