關于壓電陶瓷的初步認識

摘 要：壓電陶瓷作為一種功能陶瓷已廣泛深入到人們的日常生活中。通過對壓電陶瓷文獻的收集及分析，了解到晶體無對稱中心的微觀特性是壓電陶瓷產生壓電效應的必要條件。本文從科普角度介紹了壓電陶瓷的工作原理、用途及發展趨勢等知識，并以此給出了3點有意義的啟示。

關鍵詞：壓電陶瓷，基本原理，用途，發展趨勢，啟示

陶瓷是古老中國的代名詞，歷史悠久，種類繁多。陶瓷從花瓶、碗碟等器皿發展到現在的功能陶瓷，主要在于功能陶瓷晶體的微觀極化特性的發現[ 1 ]。功能陶瓷是以電、磁、聲、光、熱和力學等信息的存儲、檢測、耦合及轉換等主要特征的介質材料，主要包括壓電、介電、熱釋電和磁性等功能各異的新型陶瓷材料，其中壓電陶瓷是功能陶瓷領域的主流材料之一[ 2 ]。

有些材料的內部分子結構缺乏對稱中心，使其具有或多或少的壓電性質。這些材料在純粹的機械作用下會發生極化現象，使介質兩端分別帶有符號相反的彼此束縛的電荷，即產生壓電效應。具有壓電效應的陶瓷被稱為壓電陶瓷[ 3 ]。

陶瓷是一種用任意方式結合在一起的單晶體團塊，而壓電陶瓷的單晶體中存在正負電荷中心不重合的電偶極矩。這種電偶極矩是制備壓電陶瓷過程中，介質材料從高溫狀態冷卻并低過居里溫度時自發形成的，也稱為自發極化特征，這是壓電陶瓷所特有的微觀本質特征[ 4 ]。

一、壓電陶瓷是如何工作的？

壓電材料具有一種能力，即可將應變能信號轉換成電能信號或者將電能信號轉換成應變能信號。這樣，它的工作方式可為以下兩種情況：一種是利用壓電材料的主動控制能力，以激勵器（源）的形式工作；另一種是利用壓電材料的被動控制能力，以傳感器的方式工作，這種方式又稱為分流阻尼控制。

在壓電介質的兩端外接上分流電路，壓電材料會發生形變，并在兩端產生符號各異的束縛電荷，這些電荷起到分流阻尼減振的功能，以熱能形式消耗掉相應的機械能或聲能。

壓電陶瓷的工作特點可歸納為3點。

第一，“壓電”中的“壓”，呈現了力的概念，包括作用力、彈性力等由各種物理波場產生的力。而“壓電”中的“電”是電學概念，與電荷、電壓、電流相聯系。“壓”向“電”的正向運轉說明機械力的作用下會產生電。

第二，“電”向“力”的轉換，這是上一過程的逆過程，說明依據電場的電能可以產生機械力。無論是“壓”向“電”轉換、還是“電”向“力”轉換，都要伴隨著介質形變，也就是說壓電介質的形變主導了這兩個轉換過程。

第三，頻率對壓電陶瓷的阻抗作用，表現為不同頻率區間介質的阻抗性質也不同。在某一諧振頻率處，若特定形狀的壓電陶瓷器件呈現了阻抗最小值，那么，在反諧振頻率處就會呈現阻抗最大值。人們給壓電陶瓷元件加上諧振頻率的電功率，元件會發生交替伸縮形變，并以彈性波的形式傳播出去。

二、壓電陶瓷在實際生活中的作用

在傳感器、報警器、音響設備、醫療診斷等裝置中都可見到壓電陶瓷的身影。依據壓電陶瓷的諧振特性而制作的壓電振子，其壓電、彈性、介電等性能穩定，機械品質因數高；依據壓電陶瓷的功能轉換特性制作的壓電換能器，可以將一種能量形式轉換成另一種能量形式。常見的有高溫高壓探頭及多元長線陣，在油田勘探、深海考察、地震監測中應用廣泛。

利用壓電陶瓷電—形變—力和阻抗頻率特性制作的聲納系統，通過激發電信號來產生超聲波并發射入水，這些波在水中傳播，搜索目標，聲納系統依據目標反射波來分析目標距離、形狀等信息。B型超聲檢查儀探頭的核心部件也是由壓電陶瓷制成的，它將聲波送入人體內并接收由體內返回的信號，在B超檢查顯示屏上給出有關人體器官的表面及深度信息，用于分析診斷病情。

三、壓電陶瓷的發展趨勢

（一）向適應高端技術應用方向發展

近年來，電子計算機、宇航、激光及能源等新技術的發展，促使壓電陶瓷向不同頻段下調整介電常數、溫度系數的精細方向發展[ 5 ]。

高聚物復合材料壓電陶瓷目前在國際上異常活躍[ 6 ]。為使壓電復合材料具有更精密的空間結構，一系列新的成型工藝，包括脫模法、注模成型法、共擠出法等應運而生，可獲得精度在50-100μm甚至20μm的精細結構。新興的快速成型工藝為制作幾何形狀獨特的壓電復合材料提供了可能，如陶瓷柱呈Z形排列、螺旋形和套筒狀復合材料。

（二）向無鉛環保型方向發展

在鉛基壓電陶瓷生產施工及廢棄后的處理過程中，PbO都會給人類的生態環境造成危害。因此無鉛或低鉛壓電陶瓷開發已成為目前研究的主流[ 6 ]。最早使用的無鉛壓電陶瓷材料是BaTiO3（BT）。目前最具吸引力的無鉛壓電陶瓷材料是Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）等鈉鈦礦型系列材料，這種材料具有鐵電性強、壓電常數大、燒結溫度較低等特性。最近幾年，含鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷的研究和開發極有可能在某些電子產品中得到實際應用。

四、結語

通過對壓電陶瓷相關知識的學習，得到以下有意義的啟示：

1）應善于發覺實際需求，并以滿足需求為目標，深化材料的研發應用。高科技領域的多方面需求，是壓電陶瓷應用發展的源動力。

2）材料的應用與配套技術的發展是相輔相成的：材料的創新應用，為相關技術發展提供了物質基礎。例如壓電陶瓷的使用，促進了傳感器技術、超聲技術、表面波技術等發展；同時，配套技術的發展，促進了材料的深化應用。

3）材料應用以及技術發展，均應以滿足安全環保為前提條件。壓電陶瓷也正向無鉛環保型方向發展。

參考文獻：

[1] 董顯林.功能陶瓷研究進展與發展趨勢.中國科學院院刊，2003（6）：1-4.

[2] 李龍土.功能陶瓷材料研究的若干進展.功能材料信息，2005（1）：14-16

[3] B.賈菲，等著，林聲和譯.壓電陶瓷.科學出版社.1979：1-20.

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

[5] 張效華，辛鳳，等.幾種電子陶瓷材料的研究進展與應用前景.陶瓷學報，2013，34（2）：219-224.

[6] 王珂，沈宗洋，等.鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的現狀、機遇和挑戰.無機材料學報，2014，29（1）：13-19.

作者簡介：孫沁瑤（1998-），南昌大學材料科學與工程學院2016級在讀本科生。