淺談壓電材料研究現狀及發展趨勢

摘 要：從壓電材料的壓電效應入手，介紹了壓電材料的分類及組織結構。根據不同壓電材料在實際應用中的不同情況，簡述現階段壓電材料的制備方法。綜述了近年來壓電材料的研究現狀，并介紹了壓電材料在各個領域的應用和發展趨勢。

關鍵詞：壓電材料；壓電效應；研究現狀；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.238

隨著時代的發展，在信息技術、激光、導航及生物等高科技領域內，到處都有壓電材料的身影。壓電材料是一類新興的高技術材料。自1880 年，居里兄弟發現了石英晶體存在壓電效應后，使得壓電學成為現代科學與技術的一個新興領域。在材料學和物理學不斷完善的過程中，壓電學也在理論和應用取得了巨大的進展。壓電材料制作簡單、成本低、換能效率高，被廣泛應用于熱、光、聲、電子學等領域。主要應用有壓電換能器，壓電發電裝置，壓電變壓器醫學成像等[1] 。材料及工藝的不斷研究和改良，壓電陶瓷材料制作技術和應用軟件開發正備受關注。

1 壓電效應

個別物質在外力作用下發生電極化的變化，這樣的性質變化稱為壓電效應[2]。這種性質的變化致使介質在物質的兩個端面出現等量的符號相反的約束電荷，這樣機械能就轉化成了電能，這就是產生壓電性的原因。介質具有壓電性的條件是其具有不對稱的結構，不對稱的晶胞在應力作用下出現電極化和表面束縛電荷的示意圖如圖1。

1890年 ，科學家們連續不斷地發現水晶和酒石酸鈉這些材料具有壓電效應，它們都得到了廣泛的應用。但是，后來發現有很多壓電晶體，石英、閃鋅礦和纖鋅礦雖然都有不對稱中心晶格，但卻包含其他對稱元素。所以這種晶體在某些應力某些角度下極化，但在另一些特殊應力下卻不極化。以石英這種晶體為例，沿[001]晶面的應力就不會引起極化，而沿[100]晶面的壓力卻會產生極化這種現象。

2 研究現狀

（1）壓電陶瓷。1949年日本最早利用BaTiO3壓電陶瓷發明了魚類探測器，但是這種材料在諧頻情況下耐溫性能差。但是用其他元素，如Pb和Ca等取代鈦酸鋇中的鋇，可以部分這種壓電陶瓷的抗溫變性能，所以在PZT陶瓷流行的當下，仍然有一小部分換能器采用鈦酸鋇陶瓷材料。

（2）壓電晶體。壓電電子元件的應用與發展，主要取決于壓電材料的自身性能的發展。為了發明新的應用材料，在石英晶體之后，科研人員又研制出了多種壓電晶體材料。例如KDP、ADP、羅西而鹽等。但是這些材料都或多或少的存在一些缺點，在這些材料里面應用比較廣泛壓電晶體主要有LiNbO3和LiTaO3，他們大部分被用來制作振蕩器、延遲線等。

（3）壓電復合材料。深入研究表明，改變混合元素和結構可以改良單相材料不可能實現的性能。用復合材料的思想不僅可以提高壓電性能、抗變溫性能，還能提高材料的耐用性。

（4）壓電高聚物。很多人曾對高分子材料的壓電性能進行了研究，例如肌肉、骨頭、RNA、DNA進行了研究，居然發現他們也具有一定的壓電性。現今，高聚物壓電材料的研究已經開始向產業成果方向發展了。

3 壓電材料的應用及發展

隨著壓電材料制備技術的發展，壓電材料在換能器、驅動器、傳感器、機器人等領域有著更加廣泛而重要的應用。

（1）換能器。換能器是將機械能轉化為電能或者將電能轉化為機械能的器件。壓電聚合物電聲器件的原理就是聚合物的橫向壓電效應，而換能器設計則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場的作用下產生的變形及振動，麥克風、立體聲耳機和高頻揚聲器就是利用了上訴原理。對壓電聚合物電聲器件的研究主要是利用壓電聚合物的結構與性能。從而研發其他技術難以實現的產品，如抗噪聲電話、寬帶超聲信號發射系統等。

（2）驅動器。壓電驅動器利用逆壓電效應，將電能轉變為機械能或機械運動。按照驅動方式不同，壓電驅動器有非彈性位移驅動器和共振位移驅動器。壓電驅動器即使沒有傳動機構，也可以達到較高的運行質量。同時反應敏捷沒有機械咬合時產生的誤差，可以實現電壓與位移的完美結合，并且具有低功耗高輸出的特點。我國在驅動器這個領域已經突破了技術瓶頸。電子束輻照P（VDF-TrFE）共聚合物使該材料具備了產生大伸縮應變的能力，從而為研制新型聚合物驅動器創造了有利條件。在潛在國防應用前景的推動下，利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發射裝置的研究。除此之外，利用輻照改性共聚物的優異特性，研究開發其在醫學超聲、減振降噪等領域應用，還需要進行大量的探索。

（3）傳感器。1）壓電式壓力傳感器。壓電式壓力傳感器的原理就是壓電效應。壓電式壓力傳感器的優點是具有自生信號，比較高的響應頻率，占用空間小，結構穩定，輸出信號大。其缺點是只能用于動能測量。需要特殊材料的電纜，在受到惡劣外部環境時，自我恢復速度較慢；2）壓電式加速度傳感器。壓電式加速度傳感器有很多優點，比如說，重量輕，占用空間小，效率高，耐用性能好等。這種傳感器已經在工業生產，橋梁建筑，運輸傳送等實際應用中得到了實際的認可。尤其是在航天飛行器領域尤其內在的優越性。這種傳感器還可以測量密閉高壓容器的內部壓力，在生物化學、軍事工場等領域依然有他的用武之地。

（4）機器人。機器人安裝類似人類感覺的傳感器主要目的有以下三個：第一，再做下個運動之前，就要獲得必要的信息；第二，探測機器人的活動空間內有沒有障礙物。如果有障礙物就要活得一定的信息，避免相撞；第三，獲取物體的形狀，位置與數量信息。壓電材料除了以上用途外還有其它相當廣泛的應用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。

4 結語

壓電陶瓷材料是近年興起的一類新的壓電材料，已在信息、生物、電氣自動化領域，軍事領域及新能源等領域得到非常廣泛的應用，隨著現代科學技術的蓬勃發展，壓電材料工藝的與時俱進，其優異的性能受到人們的廣泛關注。相信壓電材料會駐足到人們日常生活的各個角落，而且其制造技術和壓電材料應用開發仍將是關注議題。

參考文獻：

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