关于压电陶瓷的初步认识

摘 要：压电陶瓷作为一种功能陶瓷已广泛深入到人们的日常生活中。通过对压电陶瓷文献的收集及分析，了解到晶体无对称中心的微观特性是压电陶瓷产生压电效应的必要条件。本文从科普角度介绍了压电陶瓷的工作原理、用途及发展趋势等知识，并以此给出了3点有意义的启示。

关键词：压电陶瓷，基本原理，用途，发展趋势，启示

陶瓷是古老中国的代名词，历史悠久，种类繁多。陶瓷从花瓶、碗碟等器皿发展到现在的功能陶瓷，主要在于功能陶瓷晶体的微观极化特性的发现[ 1 ]。功能陶瓷是以电、磁、声、光、热和力学等信息的存储、检测、耦合及转换等主要特征的介质材料，主要包括压电、介电、热释电和磁性等功能各异的新型陶瓷材料，其中压电陶瓷是功能陶瓷领域的主流材料之一[ 2 ]。

有些材料的内部分子结构缺乏对称中心，使其具有或多或少的压电性质。这些材料在纯粹的机械作用下会发生极化现象，使介质两端分别带有符号相反的彼此束缚的电荷，即产生压电效应。具有压电效应的陶瓷被称为压电陶瓷[ 3 ]。

陶瓷是一种用任意方式结合在一起的单晶体团块，而压电陶瓷的单晶体中存在正负电荷中心不重合的电偶极矩。这种电偶极矩是制备压电陶瓷过程中，介质材料从高温状态冷却并低过居里温度时自发形成的，也称为自发极化特征，这是压电陶瓷所特有的微观本质特征[ 4 ]。

一、压电陶瓷是如何工作的？

压电材料具有一种能力，即可将应变能信号转换成电能信号或者将电能信号转换成应变能信号。这样，它的工作方式可为以下两种情况：一种是利用压电材料的主动控制能力，以激励器（源）的形式工作；另一种是利用压电材料的被动控制能力，以传感器的方式工作，这种方式又称为分流阻尼控制。

在压电介质的两端外接上分流电路，压电材料会发生形变，并在两端产生符号各异的束缚电荷，这些电荷起到分流阻尼减振的功能，以热能形式消耗掉相应的机械能或声能。

压电陶瓷的工作特点可归纳为3点。

第一，“压电”中的“压”，呈现了力的概念，包括作用力、弹性力等由各种物理波场产生的力。而“压电”中的“电”是电学概念，与电荷、电压、电流相联系。“压”向“电”的正向运转说明机械力的作用下会产生电。

第二，“电”向“力”的转换，这是上一过程的逆过程，说明依据电场的电能可以产生机械力。无论是“压”向“电”转换、还是“电”向“力”转换，都要伴随着介质形变，也就是说压电介质的形变主导了这两个转换过程。

第三，频率对压电陶瓷的阻抗作用，表现为不同频率区间介质的阻抗性质也不同。在某一谐振频率处，若特定形状的压电陶瓷器件呈现了阻抗最小值，那么，在反谐振频率处就会呈现阻抗最大值。人们给压电陶瓷元件加上谐振频率的电功率，元件会发生交替伸缩形变，并以弹性波的形式传播出去。

二、压电陶瓷在实际生活中的作用

在传感器、报警器、音响设备、医疗诊断等装置中都可见到压电陶瓷的身影。依据压电陶瓷的谐振特性而制作的压电振子，其压电、弹性、介电等性能稳定，机械品质因数高；依据压电陶瓷的功能转换特性制作的压电换能器，可以将一种能量形式转换成另一种能量形式。常见的有高温高压探头及多元长线阵，在油田勘探、深海考察、地震监测中应用广泛。

利用压电陶瓷电—形变—力和阻抗频率特性制作的声纳系统，通过激发电信号来产生超声波并发射入水，这些波在水中传播，搜索目标，声纳系统依据目标反射波来分析目标距离、形状等信息。B型超声检查仪探头的核心部件也是由压电陶瓷制成的，它将声波送入人体内并接收由体内返回的信号，在B超检查显示屏上给出有关人体器官的表面及深度信息，用于分析诊断病情。

三、压电陶瓷的发展趋势

（一）向适应高端技术应用方向发展

近年来，电子计算机、宇航、激光及能源等新技術的发展，促使压电陶瓷向不同频段下调整介电常数、温度系数的精细方向发展[ 5 ]。

高聚物复合材料压电陶瓷目前在国际上异常活跃[ 6 ]。为使压电复合材料具有更精密的空间结构，一系列新的成型工艺，包括脱模法、注模成型法、共挤出法等应运而生，可获得精度在50-100μm甚至20μm的精细结构。新兴的快速成型工艺为制作几何形状独特的压电复合材料提供了可能，如陶瓷柱呈Z形排列、螺旋形和套筒状复合材料。

（二）向无铅环保型方向发展

在铅基压电陶瓷生产施工及废弃后的处理过程中，PbO都会给人类的生态环境造成危害。因此无铅或低铅压电陶瓷开发已成为目前研究的主流[ 6 ]。最早使用的无铅压电陶瓷材料是BaTiO3（BT）。目前最具吸引力的无铅压电陶瓷材料是Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）等钠钛矿型系列材料，这种材料具有铁电性强、压电常数大、烧结温度较低等特性。最近几年，含铋层状结构无铅压电陶瓷的研究和开发极有可能在某些电子产品中得到实际应用。

四、结语

通过对压电陶瓷相关知识的学习，得到以下有意义的启示：

1）应善于发觉实际需求，并以满足需求为目标，深化材料的研发应用。高科技领域的多方面需求，是压电陶瓷应用发展的源动力。

2）材料的应用与配套技术的发展是相辅相成的：材料的创新应用，为相关技术发展提供了物质基础。例如压电陶瓷的使用，促进了传感器技术、超声技术、表面波技术等发展；同时，配套技术的发展，促进了材料的深化应用。

3）材料应用以及技术发展，均应以满足安全环保为前提条件。压电陶瓷也正向无铅环保型方向发展。

参考文献：

[1] 董显林.功能陶瓷研究进展与发展趋势.中国科学院院刊，2003（6）：1-4.

[2] 李龙土.功能陶瓷材料研究的若干进展.功能材料信息，2005（1）：14-16

[3] B.贾菲，等著，林声和译.压电陶瓷.科学出版社.1979：1-20.

[4] ZHANG S T，ZHANG Y.Structures and dielectric properties of BZNT thin films. Appl. Phys. Lett.，2007，90：042903.

[5] 张效华，辛凤，等.几种电子陶瓷材料的研究进展与应用前景.陶瓷学报，2013，34（2）：219-224.

[6] 王珂，沈宗洋，等.铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的现状、机遇和挑战.无机材料学报，2014，29（1）：13-19.

作者简介：孙沁瑶（1998-），南昌大学材料科学与工程学院2016级在读本科生。