压电陶瓷材料

压电陶瓷材料是一种利用压电效应将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。所谓的压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。

正逆压电效应

压电陶瓷材料的发展历程

1880年

法国物理学家居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。

1881年

居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。

1894年

德国物理学家 Woldemar Voigt 指出，仅无对称中心的二十种点群的晶体才有可能具有压电效应。

第一次世界大战

居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。

1947年

美国Roberts在BaTiO3陶瓷上施加高压进行极化处理，获得了压电陶瓷的电压性。随后，日本积极开展利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究，这种研究一直进行到50年代中期。

1955年

美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性能更优越的锆钛酸铅PZT压电陶瓷，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。 

80年代后期至今

人们研制出驰豫铁电体陶瓷材料，在此基础上又成功研制出驰豫铁电体单晶材料，为三维超声波成像奠定了基础。

目前广泛使用的以锆钛酸铅（PZT）陶瓷为代表的铅基压电材料，在制备、使用、回收和废弃过程中，都会给生态环境和人类社会可持续发展带来危害。2017年8月，欧盟RoHS 2.0版指令规定2021年欧盟市场将不再豁免部分铅基压电产品。环境友好型无铅压电材料将在部分领域逐渐替代铅基压电材料。因此，发展环境友好的无铅压电材料已经成为目前国际上功能材料领域的重要科学前沿和技术竞争焦点之一。

压电陶瓷材料的应用

由于压电陶瓷材料具有正逆压电效应，其在压电传感器、驱动器、换能器和滤波器等器件中得到了广泛的应用。应用范围覆盖航空航天、军事、信息电子、工业机械、医疗、汽车等众多领域。据统计，预计2026年全球压电材料与器件市场规模将达354亿美元。其中，我国压电材料与器件的生产、使用、出口占比全球规模60%以上。

压电换能器

压电超声换能器是水下发射和接收超声波的水声器件。处于水中的压电换能器在声波的作用下，换能器两端会感应出电荷，这就是声波接收器；若在压电陶瓷片上施加一个交变电场，陶瓷片就会时而变薄时而变厚，同时产生振动发射声波，这就是超声波发射器。压电换能器被广泛用作水中导航、海洋探测、超声清洗、固体探伤以及医学成像、超声诊断、超声疾病治疗。

压电传感器

压电式传感器工作时会在压电元件上产生压力，进而产生一种电荷，其电荷在经过传感器内部的放大器和变换抗阻等元件后，将形成与外部压力成正比的电量，接着将产生的电量释放出去，保证传感器的正常运转。在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。

压电驱动器

压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应来实现运动控制。当施加电场时，压电材料会发生机械应变，从而产生运动。这种运动可以用于驱动机械系统，实现精确的位置控制和运动控制。压电驱动器的应用非常广泛，包括精密仪器、光学设备、机器人、航空航天等领域。