压电陶瓷：微观世界的“机械-电能魔术师”

1880年，居里兄弟在实验室发现了一种“神奇材料”——当晶体受到挤压时，表面会迸发微小电流。这种被称为压电效应的现象，如今已成为现代科技的隐形支柱：从智能手机触屏振动到超声波医疗成像，从导弹制导系统到火星车避障雷达，压电陶瓷正悄然操控着微观世界的“机械-电能转换”。

自发现压电性能以来，压电学成为了晶体物理学的一个应用分支，1940年以前，人们大都只知道两类铁电体，一类是罗息盐与某些酒石酸盐，一类是磷酸二氢钾和它的同晶型物。二战期间，美国、苏联、日本发现钛酸钡有异常高的介电常数，此后不久，有人发现钛酸钡具有压电性，压电材料有了压电单晶与压电陶瓷两大类。

1954年，美国的B·贾非（B. Jaffe）等人发现了压电的Pb (Zr_ {1-x}Ti_x)O_3固溶体系统，由此PZT压电陶瓷诞生，逐步替代了BaTiO₃，,进而派生出了一系列新的压电陶瓷材料。

压电材料归类：

压电材料：是一类能够将机械能（如压力、振动）转换为电能，或反向将电能转换为机械能的特殊材料。

热释电材料：本质是温度变化驱动的极化强度变化，其核心在于非中心对称晶体结构中的自发极化特性。

热释电效应：温度变化（ΔT）引起自发极化强度（P）变化，产生表面电荷（ΔQ = P·ΔT）。

铁电材料：铁电材料是指拥有铁电效应的材料。铁电效应是指一种物理现象，指的是某些物质在受到外界电场作用下产生一个极化量，且极性方向能够随着电场的变化而改变的现象。

其核心特征有三点：

◆ 自发极化：在无外加电场时，材料内部因晶体结构不对称性产生稳定的自发电极化（正负电荷中心分离）。

◆ 极化可逆性：通过外加电场可改变极化方向，且撤去电场后仍保留部分极化（剩余极化），形成电滞回线（极化强度与电场的关系曲线呈现滞后现象）。

◆ 临界温度：在居里温度（Tc）以下保持铁电性，超过该温度则转变为顺电性（极化消失）。

压电陶瓷：在居里温度以下，压电陶瓷不但具有自发极化现象，且自发极化方向可以因外电场作用而转向，因此，严格来说，压电陶瓷应该被称为“铁电陶瓷”或“铁电多晶体”。

但铁电材料还有铁电单晶、铁电薄膜、铁电复合材料等，所以压电陶瓷是铁电材料的子集。

压电材料常见分类：

1. 压电单晶体

定义：天然形成的单一晶体结构材料，如石英（SiO₂）、酒石酸钾钠（KDP）等。

特性：

◆ 结构有序：原子排列高度规则，压电效应稳定但较弱。

◆ 温度稳定性好：耐高温，适合精密仪器。

◆ 脆性高：加工困难，成本较高。

◆ 应用：早期电子表振荡器、超声波换能器、精密测量设备（如陀螺仪）。

2. 压电陶瓷（多晶）

定义：人工烧结的多晶材料，需通过极化处理（外加高压电场）激活压电性，如钛酸钡（BaTiO₃）、锆钛酸铅（PZT）。

特性：

◆ 高压电性：压电常数高，灵敏度远超单晶体。

◆ 可加工性：易制成复杂形状（如薄片、管状）。

◆ 脆性大：易碎，温度稳定性较差（部分材料需添加改性成分）。

锆钛酸铅（PZT）为钛酸铅（PbTiO3）和锆酸铅（PbZrO3）形成的固溶体。由于具有较强且稳定的压电性能、居里温度高、各向异性大、介电常数小，因此成为目前市场上使用最为广泛的压电材料，是压电换能器的主要功能材料。在锆钛酸铅中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最为广泛的压电材料，大部分压电或电致伸缩器件中使用的材料都是含铅压电材料，PZT基陶瓷致动器的市场占有率高达98%。

应用：传感器（麦克风、加速度计）、执行器（喷墨打印机头）、超声波探头。

3. 压电薄膜

定义：以聚合物为基体的材料，如聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物或高分子材料与压电陶瓷粉末混合（如PVDF/PZT复合材料）。

特性：

◆ 柔韧性好：可弯曲、拉伸，适合柔性电子器件。

◆ 轻质低密度：适合可穿戴设备。

◆ 压电性较弱：性能约为陶瓷的1/10。

应用：柔性传感器（电子皮肤）、麦克风、心脏起搏器（生物相容性）。

分类：

根据材料结构和组成，有些分类也将压电材料分为以下四种：

① 压电效应：机械能与电能的“双向奔赴”

◆ 正压电效应：当外力作用于压电陶瓷时，材料内部产生极化电荷。

示例：打火机中的压电陶瓷受压后产生高压电火花。

◆ 逆压电效应：施加电压时，陶瓷发生微米级形变。

示例：压电蜂鸣器

1. 利用正压电效应的器件：

压电点火器、压力计、血压计、加速度计、拾音器、爆震传感器、声发射传感器等，该类器件是将压力、应力和加速度等机械能转换成电位移。

2. 逆压电效应（电能机械能）器件

压电致动器、压电蜂鸣器、压电超声焊接、清洗换能器、扬声器、压电泵、压电阀、压电马达等。

3. 同时利用正逆压电效应的器件（机械能-电能）

谐振器、滤波器、振荡器、压电音叉、压电变压器、压电声纳流量计、物位计、医疗诊断仪。

1. 性能指标：

压电常数（Dij）：材料在受到压力时产生电荷的能力，数值越大，压电灵敏度越高。衡量材料电能-机械能转换效率的核心参数。单位pC/N。

其中i表示电效应的方向,j表示机械效应方向（应力或应变轴向）。

例如：

压电常数D33表示：沿3轴（极化方向）施加伸缩应力T3时，在3轴方向产生的面电荷密度σ。σ这个字母读作西格玛，在一般参考资料里，常用电位移D替代面电荷密度σ。

D31：沿3轴极化的压电陶瓷，当受到伸缩应力T1的作用时，在方向3所产生的面电荷密度σ3与T1成正比，比例系数为压电常数D31。

如果样品同时受到T1、T2、T3的作用，则面电荷密度σ3=D31*T1+D32*2+D33*T3(主流材料D31=D32）

D15表示：在受到切应力T5的作用下，仅能产生沿方向1的压电效应，在切应力不是太大的情况下，在方向1所产生的面电荷密度σ与切应力T5成正比，即σ=D15*T5，（主流四方晶系压电材料中，D15=D24），以上可以简易理解为拧毛巾。

j=4：绕1轴的剪切应力（剪切面垂直于1轴）。

j=5：绕2轴的剪切应力（剪切面垂直于2轴）。

j=6：绕3轴的剪切应力（剪切面垂直于3轴）。

2. 机电耦合系数（k）：

材料将机械能转换为电能（或反向）的效率，数值越高，能量转换越高效。

类比：类似电喇叭的“音量”，k越大，声音越响（能量转换越彻底）。

3. 介电常数（εᵣ）：

单位：法/米，体现电容C，电极面积A，电极间距t之间的关系。C=εA/t。

反映的是材料储存电能的能力，数值越高，对电场的响应越强。

类比：类似海绵储水能力，储水越多（εᵣ越高），电容越大。

我们知道，压电元件在交变电压作用下，会逐渐发热，这说明，总有一些能量转化成了热量。这个过程中，通常我们把单位时间内因发热消耗掉的电能，称为介质损耗tanδ。通常用tanδ来代表介质损耗，称为介质损耗角正切，这个值越小越好。

4. 居里温度（Tc）：

材料失去压电性能的临界温度，超过此温度会“失效”。

5. 机械品质因数（Qₘ）：

反映陶瓷材料在谐振时的机械损耗的大小，产生机械损耗的原因主要是材料存在内摩擦，当陶瓷运动时，要克服摩擦而消耗能量。Qm与机械损耗成反比，Qm大表示材料机械损耗小，Qm小表示机械损耗大。

类比：类似弹簧的“弹性”，Qm大就是弹簧回弹快、不“拖泥带水”。

6. 环保性：

是否含铅等有毒物质，是否符合环保法规。

7. 烧结温度：

材料加工时需要高温烧结的温度，温度越高，工艺越复杂、成本越高。

8. 频率响应（谐振频率 f）：

材料能高效工作的频率范围，高频材料适合快速响应的场景。

类比：类似短跑运动员（高频）和长跑运动员（低频）的擅长领域不同。

9. 弹性模量（E）：

材料抵抗弹性变形的能力，数值越大，材料越“硬”。
类比：类似弹簧的“硬度”，弹性模量高就是弹簧更“刚硬”，不易被压缩。

10. 密度（ρ）：

单位体积的质量，数值越大，材料越“重”。

11. 最大安全应力（σ_max）：

材料在失效前能承受的最大外力（压强），数值越高，材料越“抗造”。
类比：类似橡皮筋能拉伸的最大长度，超过就会断裂。

常见材料参数比较：

生活中出现的众多压电陶瓷并非自然产生，需要精却控制各个环节进行制备，核心目标是通过材料配比、晶体结构调控和极化处理来实现压电效应。

压电陶瓷常规生产步骤（仅供参考）：

1. 原材料预处理

对锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O₃）的原始原料（如Pb₃O₄、ZrO₂、TiO₂等）进行筛选、水洗、煅烧、粉碎、烘干等，去除杂质并确保颗粒细度均匀。

关键点：原料纯度、原料细度、原料活性。

2. 配料

按配方比例混合Pb₃O₄、BaCO3、ZrO₂、SrCO3等原料，掺杂改性元素等。

关键点：按纯度计算每种原料所需重量。

3. 球磨混匀

用球磨机（钢球+罐子）将原料粉碎并均匀混合。

关键点：球磨转速、球的大小、装填百分比，球、料、水比例。

4. 预烧合成

预烧前，先将混合好的原料通过适当高压压成块，如果粉料太干，可以加入适量蒸馏水。高温（约850°C / 2h）煅烧原料，以形成钙钛矿结构的PZT陶瓷前驱体Pb(ZrTi）O3。

关键点：这一步并非在熔融状态下进行，而是在比熔点低的温度下，通过各原子（或离子）之间的扩散完成的，此反应称为固相反应。

5. 研磨（二次细磨）

为打破预烧过程产生的团聚，提升粉体活性与烧结性能，优化造粒，所以需要二次研磨（8-12h）。一般采用以下三种方式：

湿法球磨、干法球磨、气流粉碎。

关键点：这一步骤的核心目的是解决预烧后粉末的物理与化学不均匀性，并为后续工艺创造基础条件。

6. 成型与排塑

5.1成型

现下压电陶瓷成型方法主要有四种：

流延（薄膜）、轧膜（薄片）、干压成型（厚，密度不一，需磨受力端）、静水压成型（大样品，可无需粘合剂）。

5.2排塑

粘合剂只是为成型创造条件，成型后需将粘合剂排除，以免影响烧成质量，通常选择逐步升温。

7. 烧成

将预烧成型的粉末块在加热到足够高的温度（1200-1300℃）后发生体积收缩、密度提高和强度增加的现象，目的是让陶瓷完全致密化并形成稳定晶体结构。

8. 印电极

在陶瓷上设置一层金属薄膜，精确印制电极图形，烘干后形成导电层。方法有很多，例如烧渗、喷涂、真空蒸镀、丝网印刷、化学沉积、原子层沉积、喷墨打印等等。

9. 极化

施加强直流电场/或电压（一般为2~5kv/mm），让陶瓷内部电畴沿电场方向取向排列。只有经过极化处理的陶瓷，才能显现压电效应。 E(极化电场强度）= V(电压）/t（厚度mm）

目前常用锆钛酸铅陶瓷，常规极化温度120-150℃，时间为15-60min。

通俗类比：

像用磁铁反复摩擦缝衣针，让它变成指南针（具有磁性）。

10. 焊线

在压电陶瓷表面电极（如镀银层）上焊接金属引线（如铜线或镀锡线），实现外部电路导通。需控制温度（280–350℃）、时间（≤3秒）和压力，避免高温损伤陶瓷或氧化电极。

11. 绝缘处理

在压电陶瓷表面或接口处涂覆绝缘材料（如环氧树脂、聚酰亚胺薄膜），防止漏电、短路或环境腐蚀。

12. 测试

测介电常数（电容能力）、压电常数（变形能力）、频率响应（振动灵敏度）等。

随着行业应用的增长，压电陶瓷材料与器件都有新的发展。品种不断增多，性能逐步提升，这与压电陶瓷的新工艺息息相关。

比如在制备透明电光陶瓷如锆钛酸铅镧(PLZT)，铪钛酸铅镧(PLHT)时，其透光性受到气孔率、晶体结构、原料与添加剂、气氛和表面加工光洁度等因素影响，要保证最终产品具有较高的致密度和表面光洁度、均匀细小的晶粒、入射光很小吸收，常采用高温恒静压、通氧、气氛烧成等工艺。

同样，应用场景不同，工艺要求的路线不同；产品不同，各家工艺路线也有所差别。

定义：利用压电陶瓷的逆压电效应,将电能转换为位移形式的机械能的一大类压电陶瓷元件。在电场作用下,产生直线位移、偏转或旋转。

可分为：刚性制动器与谐振致动器

刚性致动器：直流电场作用感生单向刚性应变。

谐振致动器：交流电场激励产生谐振应变。
原理：施加交变电压→压电陶瓷产生机械振动→振动频率与材料（金属弹性体）固有频率共振→振幅最大化→高效位移或力输出。

可以简单类比为甩陀螺，谐振情况下就是打到了，非谐振情况下就是没打到。

其主要的特点为：低速、大推力，体积小、重量轻、无电磁干扰，反应速度快，便于控制，贵。

压电陶瓷致动器工作原理：

1、压电陶瓷圆管

在管的内外壁设全电极,施加电压时,长度和管壁厚度同时发生形变，形变量分别由下式确定：

ΔL=d31×(V/t) ×L ； Δdm=d31×V

分割电极结构,在相对两电极分别加正、负电压时，在相应方向偏转．偏转量按下式计算：

ΔX=1.8 d31×V×L2/〔ID×(OD-ID)〕

2.压电陶瓷双晶片

两片压电陶瓷片和一片弹性片粘接在一起而组成。形状不一，有矩形、圆形、梯形和三角形等

【弹性片材料---金属、碳纤维和玻璃纤维等】

工作模式：d31柔性模态

结构示意：

 ① 长条型双晶片致动器：

长条形双晶致动器一端固定,构成悬臂梁结构,给压电陶瓷施加电压场, 一片压电陶瓷收缩,另一片伸长,自由端便可发生弯曲变形。

② 圆片型双晶片致动器：通过电压控制两层压电陶瓷片的形变，实现弯曲运动。

③ 双晶片致动器一般采用串联型（弯曲效率高，自然产生差分应变）

串联型（弯曲运动）/ 电场反向驱动

并联型（伸缩运动）/ 电场同向驱动

3.压电陶瓷叠堆

组成压电陶瓷叠堆的许多压电陶瓷片以电学并联，机械串联方式组合在一起，形成独石结构的致动器。

组成叠层微位移器的压电陶瓷单片厚度范围在0.04～0.5mm之间，单片厚度越小。工作电压越低，总的位移量与叠层数成正比。

其位移计算公式如下：

d31型  ΔL= d31LV/T

d33型  ΔL= Nd33V 或  ΔL= d33VL/T

式中:d31和d33分别为横向和纵向压电常数;L为长度,V为电压,T为单片厚度,N为叠层数。

在压电陶瓷叠堆致动器的日常使用中，我们常会加上预紧机构，其作用主要是减小滞后，提高回零，叠堆需施加10%~20%压缩预紧力（防拉应力断裂）。

增加金属外壳，以适应特殊的环境条件，增强稳定性。

当然，目前商用压电陶瓷叠堆所能产生的位移在1-300um之间（无负载），大多在100um以内。更大位移需机械放大机构（如杠杆/铰链/液压）。

压电陶瓷致动器的基本特性要求：

压电致动器都在静态或低频工作（非谐振），工作电要压较高，希望在同种驱动电场下，有大的位移输出，且有较大的出力，重复工作位移精度高、滞后小、回零好等。

压电陶瓷材料应有较大的d33(d31)、较大的K33(K31)、tanδ低、介电常数适中等。在某些要求高温条件下工作的致动器，还需要较高的居里温度．一般使用温度应在材料居里温度的一半以内。

几种压电陶瓷致动器比较：

① 压电管致动器驱动电压高，位移量小（位移范围在0～15μm之间），精度高（纳米级），响应速度快（μS）。

② 双晶片致动器位移量大（位移范围0～３mm），产生的作用力小(2N以内)，响应速度慢（１０ms)。

③ 压电陶瓷叠堆型致动器是利用压电纵效应的独石型高精度微致动器，出力大（１０－１００００N），响应速度快（ms级 ），位移精度高（纳米级），能量转换效率高，设计灵活，位移范围在0～200μm之间（ 加放大机构可达到mm级）。

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