壓電效應(yīng)新型材料

piezoelectric polymer

壓電現(xiàn)象是由于應(yīng)力作用于材料，在材料表面誘導(dǎo)產(chǎn)生電荷的過(guò)程，一般這一過(guò)程是可逆的，即當(dāng)材料受到電參數(shù)作用，材料也會(huì)產(chǎn)生形變能。木材纖維素、腱膠原和各種聚氨基酸都是常見(jiàn)的高分子壓電性材料，但是其壓電率太低，而沒(méi)有使用價(jià)值。在有機(jī)高分子材料中聚偏氟乙烯等類(lèi)化合物具有較強(qiáng)的壓電性質(zhì)。壓電率的大小取決于分子中含有的偶極子的排列方向是否一致。除了含有具有較大偶極矩的C-F鍵的聚偏氟乙烯化合物外，許多含有其他強(qiáng)極性鍵的聚合物也表現(xiàn)出壓電特性。如亞乙烯基二氰與乙酸乙烯酯、異丁烯、甲基丙烯酸甲酯、苯甲酸乙烯酯等的共聚物，均表現(xiàn)出較強(qiáng)的壓電特性。而且高溫穩(wěn)定性較好。主要作為換能材料使用，如音響元件和控制位移元件的制備。前者比較常見(jiàn)的例子是超聲波診斷儀的探頭、聲納、耳機(jī)、麥克風(fēng)、電話、血壓計(jì)等裝置中的換能部件。將兩枚壓電薄膜貼合在一起，分別施加相反的電壓，薄膜將發(fā)生彎曲而構(gòu)成位移控制元件。利用這一原理可以制成光學(xué)纖維對(duì)準(zhǔn)器件、自動(dòng)開(kāi)閉的簾幕、唱機(jī)和錄像機(jī)的對(duì)準(zhǔn)件。

壓電效應(yīng)的原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱(chēng)之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)），這就是我們平常所說(shuō)的超聲波信號(hào)。也就是說(shuō)，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，這種相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系確實(shí)非常有意思。

壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場(chǎng)，也可以因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械變形，這種固有的機(jī)-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來(lái)制作智能結(jié)構(gòu)，此類(lèi)結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外，還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來(lái)的飛行器設(shè)計(jì)中占有重要的地位。

有一類(lèi)十分有趣的晶體，當(dāng)你對(duì)它擠壓或拉伸時(shí)，它的兩端就會(huì)產(chǎn)生不同的電荷。這種效應(yīng)被稱(chēng)為壓電效應(yīng)。能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的晶體就叫壓電晶體。水晶（α-石英）是一種有名的壓電晶體。

如果按一定方向?qū)λЬw上切下的薄片施加壓力，那么在此薄片上將會(huì)產(chǎn)生電荷。如果按相反方向拉伸這一薄片，在此薄片上也會(huì)出現(xiàn)電荷，不過(guò)符號(hào)相反。擠壓或拉伸的力愈大，晶體上的電荷也會(huì)愈多。如果在薄片的兩端鍍上電極，并通以交流電，那么薄片將會(huì)作周期性的伸長(zhǎng)或縮短，即開(kāi)始振動(dòng)。這種逆壓電效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)中已得到了廣泛的應(yīng)用。用水晶可以制作壓電石英薄片，其面積不過(guò)數(shù)平方毫米，厚度則只有零點(diǎn)幾毫米。別小看這小小的晶片，它在無(wú)線電技術(shù)中卻發(fā)揮著巨大作用。如前所述，在交變電場(chǎng)中，這種薄片的振動(dòng)頻率絲毫不變。這種穩(wěn)定不變的振動(dòng)正是無(wú)線電技術(shù)中控制頻率所必須的，你家中的彩色電視機(jī)等許多電器設(shè)備中都有用壓電晶片制作的濾波器，保證了圖像和聲音的清晰度。你手上戴的石英電子表中有一個(gè)核心部件叫石英振子。就是這個(gè)關(guān)鍵部件保證了石英表比其他機(jī)械表更高的走時(shí)準(zhǔn)確度。

裝有壓電晶體元件的儀器使技術(shù)人員研究蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)及各種化工設(shè)備中壓力的變化成為現(xiàn)實(shí)。利用壓電晶體甚至可以測(cè)量管道中流體的壓力、大炮炮筒在發(fā)射炮彈時(shí)承受的壓力以及炸彈爆炸時(shí)的瞬時(shí)壓力等。

壓電晶體還廣泛應(yīng)用于聲音的再現(xiàn)、記錄和傳送。安裝在麥克風(fēng)上的壓電晶片會(huì)把聲音的振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓Ｂ暡ㄒ慌龅綁弘姳∑?，就?huì)使薄片兩端電極上產(chǎn)生電荷，其大小和符號(hào)隨著聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化，再通過(guò)電子裝置，可以變成無(wú)線電波傳到遙遠(yuǎn)的地方。這些無(wú)線電波為收音機(jī)所接收，并通過(guò)安放在收音機(jī)喇叭上的壓電晶體薄片的振動(dòng)，又變成聲音回蕩在空中。是不是可以這樣說(shuō)，麥克風(fēng)中的壓電晶片能“聽(tīng)得見(jiàn)”聲音，而揚(yáng)聲器上的壓電晶體薄片則會(huì)“說(shuō)話” 或“唱歌”。

壓電體受到外機(jī)械力作用而發(fā)生電極化，并導(dǎo)致壓電體兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與外機(jī)械力成正比，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng). 壓電體受到外電場(chǎng)作用而發(fā)生形變，其形變量與外電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng). 具有正壓電效應(yīng)的固體，也必定具有逆壓電效應(yīng)，反之亦然. 正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)總稱(chēng)為壓電效應(yīng).晶體是否具有壓電效應(yīng)，是由晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性所決定的.

壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

壓電效應(yīng)正壓電

是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。

壓電效應(yīng)逆壓電

是指對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長(zhǎng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。

依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類(lèi)傳感器稱(chēng)為為壓電傳感器。

這里再介紹一下電致伸縮效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)，即電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下，由于感應(yīng)極化作用而產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變大小與電場(chǎng)平方成正比，與電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)。壓電效應(yīng)僅存在于無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的晶體中。而電致伸縮效應(yīng)對(duì)所有的電介質(zhì)均存在，不論是非晶體物質(zhì)，還是晶體物質(zhì)，不論是中心對(duì)稱(chēng)性的晶體，還是極性晶體。

下面我們利用壓電陶瓷測(cè)試壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

常用的壓電陶瓷是由鋯鈦酸鉛（PZT）材料做成的。將PZT材料做成的壓電陶瓷片粘在圓形黃銅片上就構(gòu)成了壓電陶瓷元件。它具有明顯的壓電效應(yīng)。

首先，將壓電陶瓷片A的兩根引線通過(guò)一個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)與信號(hào)發(fā)生器相聯(lián)。將壓電陶瓷片B的兩根引線與擴(kuò)音器（帶喇叭）的輸入端相連。將A、B兩個(gè)壓電陶瓷片用黑封泥固定在同一個(gè)木板制成的箱子上。當(dāng)觀察者將按鈕開(kāi)關(guān)按下，接通信號(hào)發(fā)生器和壓電陶瓷A時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，A開(kāi)始振動(dòng)，并把振動(dòng)傳給木箱，木箱的振動(dòng)傳給壓電陶瓷B，由于壓電效應(yīng)，使B兩邊產(chǎn)生變化電信號(hào)，再傳給擴(kuò)音器使喇叭發(fā)聲，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)演示了壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

1880年皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟發(fā)現(xiàn)電氣石具有壓電效應(yīng)。1881年，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，并得出了正逆壓電常數(shù)。1984年，德國(guó)物理學(xué)家沃德馬·沃伊特（德語(yǔ)：Woldemar Voigt），推論出只有無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的20中點(diǎn)群的晶體才可能具有壓電效應(yīng)。

當(dāng)您將按鈕輕輕一撳，煤氣灶迅即燃起藍(lán)色火焰，您可曾意識(shí)到是什么帶給您的這份便利呢？將一塊看起來(lái)平淡無(wú)奇的陶瓷接上導(dǎo)線和電流表，用手在上面一摁，電流表的指針也跟著發(fā)生擺動(dòng)——竟然產(chǎn)生了電流，豈非咄咄怪事？其實(shí)，這是壓電陶瓷，一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。壓電陶瓷到底是一種什么樣的材料呢？這是一種具有壓電效應(yīng)的材料。所謂壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵(lì)電場(chǎng)，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱(chēng)逆壓電效應(yīng)。這種奇妙的效應(yīng)已經(jīng)被科學(xué)家應(yīng)用在與人們生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動(dòng)、頻率控制等功能。

壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測(cè)、遙測(cè)環(huán)境保護(hù)、家用電器等。地震是毀滅性的災(zāi)害，而且震源始于地殼深處，以前很難預(yù)測(cè)，使人類(lèi)陷入了無(wú)計(jì)可施的尷尬境地。

壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過(guò)本身尺寸的千萬(wàn)分之一，別小看這微小的變化，基于這個(gè)原理制做的精確控制機(jī)構(gòu)－－壓電驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于精密儀器和機(jī)械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域都是一大福音。

諧振器、濾波器等頻率控制裝置，是決定通信設(shè)備性能的關(guān)鍵器件，壓電陶瓷在這方面具有明顯的優(yōu)越性。它頻率穩(wěn)定性好，精度高及適用頻率范圍寬，而且體積小、不吸潮、壽命長(zhǎng)，特別是在多路通信設(shè)備中能提高抗干擾性，使以往的電磁設(shè)備無(wú)法望其項(xiàng)背而面臨著被替代的命運(yùn)。

我們來(lái)看一種新型自行車(chē)減震控制器，一般的減振器難以達(dá)到平穩(wěn)的效果，而這種ACX減震控制器，通過(guò)使用壓電材料，首次提供了連續(xù)可變的減震功能。一個(gè)傳感器以每秒50次的速率監(jiān)測(cè)沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)，如果活塞快速動(dòng)作，一般是由于行駛在不平地面而造成的快速?zèng)_擊，這時(shí)需要啟動(dòng)最大的減震功能；如果活塞運(yùn)動(dòng)較慢，則表示路面平坦，只需動(dòng)用較弱的減震功能。

可以說(shuō)，壓電陶瓷雖然是新材料，卻頗具平民性。它用于高科技，但更多地是在生活中為人們服務(wù)，創(chuàng)造美好的生活。

壓電效應(yīng)應(yīng)用

壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域可以粗略分為兩大類(lèi)：即振動(dòng)能和超聲振動(dòng)能-電能換能器應(yīng)用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。

1、換能器

換能器是將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的器件

壓電聚合物電聲器件利用了聚合物的橫向壓電效應(yīng)，而換能器設(shè)計(jì)則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的彎曲振動(dòng)，利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)和高頻揚(yáng)聲器。目前對(duì)壓電聚合物電聲器件的研究主要集中在利用壓電聚合物的特點(diǎn)，研制運(yùn)用其它現(xiàn)行技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的、而且具有特殊電聲功能的器件，如抗噪聲電話、寬帶超聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)等。

壓電聚合物水聲換能器研究初期均瞄準(zhǔn)軍事應(yīng)用，如用于水下探測(cè)的大面積傳感器陣列和監(jiān)視系統(tǒng)等，隨后應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓展到地球物理探測(cè)、聲波測(cè)試設(shè)備等方面。為滿足特定要求而開(kāi)發(fā)的各種原型水聲器件，采用了不同類(lèi)型和形狀的壓電聚合物材料，如薄片、薄板、疊片、圓筒和同軸線等，以充分發(fā)揮壓電聚合物高彈性、低密度、易于制備為大和小不同截面的元件、而且聲阻抗與水?dāng)?shù)量級(jí)相同等特點(diǎn)，最后一個(gè)特點(diǎn)使得由壓電聚合物制備的水聽(tīng)器可以放置在被測(cè)聲場(chǎng)中，感知聲場(chǎng)內(nèi)的聲壓，且不致由于其自身存在使被測(cè)聲場(chǎng)受到擾動(dòng)。而聚合物的高彈性則可減小水聽(tīng)器件內(nèi)的瞬態(tài)振蕩，從而進(jìn)一步增強(qiáng)壓電聚合物水聽(tīng)器的性能。

壓電聚合物換能器在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域，尤其是超聲成像中，獲得了最為成功的應(yīng)用、PVDF薄膜優(yōu)異的柔韌性和成型性，使其易于應(yīng)用到許多傳感器產(chǎn)品中。

2、壓電驅(qū)動(dòng)器

壓電驅(qū)動(dòng)器利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或機(jī)械運(yùn)動(dòng)，聚合物驅(qū)動(dòng)器主要以聚合物雙晶片作為基礎(chǔ)，包括利用橫向效應(yīng)和縱向效應(yīng)兩種方式，基于聚合物雙晶片開(kāi)展的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用研究包括顯示器件控制、微位移產(chǎn)生系統(tǒng)等。要使這些創(chuàng)造性設(shè)想獲得實(shí)際應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量研究。電子束輻照P（VDF-TrFE）共聚合物使該材料具備了產(chǎn)生大伸縮應(yīng)變的能力，從而為研制新型聚合物驅(qū)動(dòng)器創(chuàng)造了有利條件。在潛在國(guó)防應(yīng)用前景的推動(dòng)下，利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發(fā)射裝置的研究，在美國(guó)軍方的大力支持下正在系統(tǒng)地進(jìn)行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優(yōu)異特性，研究開(kāi)發(fā)其在醫(yī)學(xué)超聲、減振降噪等領(lǐng)域應(yīng)用，還需要進(jìn)行大量的探索。

3、傳感器上的應(yīng)用

壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)所制成的。壓電式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。由于壓電材料的電荷量是一定的，所以在連接時(shí)要特別注意，避免漏電。

壓電式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有自生信號(hào)，輸出信號(hào)大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。其缺點(diǎn)是只能用于動(dòng)能測(cè)量。需要特殊電纜，在受到突然振動(dòng)或過(guò)大壓力時(shí)，自我恢復(fù)較慢。

壓電式加速度傳感器

壓電元件一般由兩塊壓電晶片組成。在壓電晶片的兩個(gè)表面上鍍有電極，并引出引線。在壓電晶片上放置一個(gè)質(zhì)量塊，質(zhì)量塊一般采用比較大的金屬鎢或高比重的合金制成。然后用一硬彈簧或螺栓，螺帽對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷，整個(gè)組件裝在一個(gè)原基座的金屬殼體中。為了隔離試件的任何應(yīng)變傳送到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號(hào)輸出，所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來(lái)制造，殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。

測(cè)量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當(dāng)傳感器受振動(dòng)力作用時(shí)，由于基座和質(zhì)量塊的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小。因此質(zhì)量塊經(jīng)受到與基座相同的運(yùn)動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的應(yīng)變力作用在壓電晶片上。由于壓電晶片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓），當(dāng)加速度頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器給輸出電壓與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比，輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量?jī)x器測(cè)試出試件的加速度；如果在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)試試件的振動(dòng)速度或位移。

4、在機(jī)器人接近覺(jué)中的應(yīng)用（超聲波傳感器）

機(jī)器人安裝接近覺(jué)傳感器主要目的有以下三個(gè)：其一，在接觸對(duì)象物體之前，獲得必要的信息，為下一步運(yùn)動(dòng)做好準(zhǔn)備工作；其二，探測(cè)機(jī)器人手和足的運(yùn)動(dòng)空間中有無(wú)障礙物。如發(fā)現(xiàn)有障礙，則及時(shí)采取一定措施，避免發(fā)生碰撞；其三，為獲取對(duì)象物體表面形狀的大致信息。

超聲波是人耳聽(tīng)不見(jiàn)的一種機(jī)械波，頻率在20KHZ以上。人耳能聽(tīng)到的聲音，振動(dòng)頻率范圍只是20HZ－20000HZ。超聲波因其波長(zhǎng)較短、繞射小，而能成為聲波射線并定向傳播，機(jī)器人采用超聲傳感器的目的是用來(lái)探測(cè)周?chē)矬w的存在與測(cè)量物體的距離。一般用來(lái)探測(cè)周?chē)h(huán)境中較大的物體，不能測(cè)量距離小于30mm的物體。

超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時(shí)電路和控制電路四個(gè)主要部分。它的工作原理大致是這樣的：首先由超聲發(fā)射器向被測(cè)物體方向發(fā)射脈沖式的超聲波。發(fā)射器發(fā)出一連串超聲波后即自行關(guān)閉，停止發(fā)射。同時(shí)超聲接受器開(kāi)始檢測(cè)回聲信號(hào)，定時(shí)電路也開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)超聲波遇到物體后，就被反射回來(lái)。等到超聲接受器收到回聲信號(hào)后，定時(shí)電路停止計(jì)時(shí)。此時(shí)定時(shí)電路所記錄的時(shí)間，是從發(fā)射超聲波開(kāi)始到收到回聲波信號(hào)的傳播時(shí)間。利用傳播時(shí)間值，可以換算出被測(cè)物體到超聲傳感器之間的距離。這個(gè)換算的公式很簡(jiǎn)單，即聲波傳播時(shí)間的一半與聲波在介質(zhì)中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個(gè)工作過(guò)程都是在控制電路控制下順序進(jìn)行的。

壓電材料除了以上用途外還有其它相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。如鑒頻器、壓電震蕩器、變壓器、濾波器等。

壓電效應(yīng)現(xiàn)狀

下面介紹幾種處于發(fā)展中的壓電陶瓷材料和幾種新的應(yīng)用。

1、 細(xì)晶粒壓電陶瓷

以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料，尺寸已不能滿足需要了。減小粒徑至亞微米級(jí)，可以改進(jìn)材料的加工性，可將基片做地更薄，可提高陣列頻率，降低換能器陣列的損耗，提高器件的機(jī)械強(qiáng)度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅(qū)動(dòng)電壓，這對(duì)提高疊層變壓器、制動(dòng)器都是有益的。減小粒徑有上述如此多的好處，但同時(shí)也帶來(lái)了降低壓電效應(yīng)的影響。為了克服這種影響，人們更改了傳統(tǒng)的摻雜工藝，使細(xì)晶粒壓電陶瓷壓電效應(yīng)增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當(dāng)?shù)乃健，F(xiàn)在制作細(xì)晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競(jìng)爭(zhēng)了。近年來(lái)，人們用細(xì)晶粒壓電陶瓷進(jìn)行了切割研磨研究，并制作出了一些高頻換能器、微制動(dòng)器及薄型蜂鳴器（瓷片20-30um厚），證明了細(xì)晶粒壓電陶瓷的優(yōu)越性。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，細(xì)晶粒壓電陶瓷材料研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)仍是近期的熱點(diǎn)。

2、PbTiO3系壓電材料

PbTiO3系壓電陶瓷具最適合制作高頻高溫壓電陶瓷元件。雖然存在PbTiO3陶瓷燒成難、極化難、制作大尺寸產(chǎn)品難的問(wèn)題，人們還是在改性方面作了大量工作，改善其燒結(jié)性。抑制晶粒長(zhǎng)大，從而得到各個(gè)晶粒細(xì)小、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年，改良PbTiO3材料報(bào)道較多，在金屬探傷、高頻器件方面得到了廣泛應(yīng)用。目前該材料的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)發(fā)仍是許多壓電陶瓷工作者關(guān)心的課題。

3、壓電陶瓷-高聚物復(fù)合材料

無(wú)機(jī)壓電陶瓷和有機(jī)高分子樹(shù)脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料，兼?zhèn)錈o(wú)機(jī)和有機(jī)壓電材料的性能，并能產(chǎn)生兩相都沒(méi)有的特性。因此，可以根據(jù)需要，綜合二相材料的優(yōu)點(diǎn)，制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高，比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方面，壓電復(fù)合材料也有較大優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)這個(gè)領(lǐng)域也頗感興趣，做了大量的工藝研究，并在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能方面做了一些有益的基礎(chǔ)研究工作，目前正致力于壓電復(fù)合材料產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。4、壓電性特異的多元單晶壓電體

傳統(tǒng)的壓電陶瓷較其它類(lèi)型的壓電材料壓電效應(yīng)要強(qiáng)，從而得到了廣泛應(yīng)用。但作為大應(yīng)邊，高能換能材料，傳統(tǒng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)仍不能滿足要求。于是近幾年來(lái)，人們?yōu)榱搜芯砍鼍哂懈鼉?yōu)異壓電性的新壓電材料，做了大量工作，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶（A=Zn2 ,Mg2 ）。這類(lèi)單晶的d33最高可達(dá)2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高達(dá)0.95（壓電陶瓷K33最高達(dá)0.8），其應(yīng)變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應(yīng)變高一個(gè)數(shù)量級(jí)。儲(chǔ)能密度高達(dá)130J/kg，而壓電陶瓷儲(chǔ)能密度在10J/kg以內(nèi)。鐵電壓電學(xué)者們稱(chēng)這類(lèi)材料的出現(xiàn)是壓電材料發(fā)展的又一次飛躍?，F(xiàn)在美國(guó)、日本、俄羅斯和中國(guó)已開(kāi)始進(jìn)行這類(lèi)材料的生產(chǎn)工藝研究，它的批量生產(chǎn)的成功必將帶來(lái)壓電材料應(yīng)用的飛速發(fā)展。

壓電效應(yīng)新領(lǐng)域

近年來(lái)人們合成方法研制出許多具有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的聚合物材料，并將這些材料冠名為“人造肌肉”。世界各國(guó)的研究者們發(fā)起了一項(xiàng)挑戰(zhàn)：看誰(shuí)能夠最先利用人造肌肉制造出機(jī)器人手臂，而且必須在與人的手臂的一對(duì)一掰手腕比賽中取勝。

06年是居里兄弟皮爾（P·Curie）與杰克斯（J·Curie）發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)（piezo electric effect，注一）的一百二十六周年。1880年前在杰克斯的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了壓電性。起先，皮爾致力于焦電現(xiàn)象（pyroelectriceffect，注二）與晶體對(duì)稱(chēng)性關(guān)系的研究，后來(lái)兄弟倆卻發(fā)現(xiàn)，在某一類(lèi)晶體中施以壓力會(huì)有電性產(chǎn)生。他們又系統(tǒng)的研究了施壓方向與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系，及預(yù)測(cè)某類(lèi)晶體具有壓電效應(yīng)。經(jīng)他們實(shí)驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)，具有壓電性的材料有：閃鋅礦（zincblende）、鈉氯酸鹽（sodiumchlorate）、電氣石（tourmaline）、石英（quartz）、酒石酸（tartaricacid）、蔗糖（canesuger）、方硼石（boracite）、異極礦（calamine）、黃晶（topaz）及若歇爾鹽（Rochellesalt）。這些晶體都具有各向異性（anisotropic）結(jié)構(gòu)，各向同性（isotropic）材料是不會(huì)產(chǎn)生壓電性的。

在非晶方性晶體中，施一外力使晶體變形，則由于晶格中電荷的移動(dòng)造成晶體內(nèi)局部性不均勻電荷分布，而產(chǎn)生一電位移。電荷的位移是由于晶體內(nèi)部所有離子的移動(dòng)，或者因?yàn)樵榆壍郎想娮臃植嫉淖冃味痣x子偏極化所造成，這些電荷位移現(xiàn)象在所有材料中都存在，可是要具有壓電效應(yīng)，則必須能在材料每單位體積中造成有效地凈的電雙極矩變化。是否能有這種變化，端視晶格結(jié)構(gòu)之對(duì)稱(chēng)性而定。壓電現(xiàn)象理論最早是李普曼（Lippmann）在研究熱力學(xué)原理時(shí)就已發(fā)現(xiàn)，后來(lái)在同一年，居里兄弟做實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)理論，且建立了壓電性與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。1894年，?？颂兀╓.Voigt）更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囟ǔ鼍w結(jié)構(gòu)與壓電性的關(guān)系，他發(fā)現(xiàn)32種晶類(lèi)（class）可能具有壓電效應(yīng)（32類(lèi)中不具有對(duì)稱(chēng)中心的有21種，其中一種壓電常數(shù)為零，其余20種都具有壓電效應(yīng)）。

今天，我們都知道，壓晶體管可用來(lái)作為聲波的產(chǎn)生器與接收器，無(wú)論在軍事上（如聲納）、工業(yè)上、工程上都具有廣泛的用途。可是早在居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電性后的三分之一世紀(jì)中，壓電效應(yīng)在應(yīng)用上幾乎沒(méi)有受到任何重視。就是皮爾本人也只不過(guò)用它來(lái)測(cè)量鐳元素所輻射出的電荷罷了。到了第一次世界大戰(zhàn)，盟軍軍艦受到德國(guó)潛艇的攻擊大量受損，于是設(shè)法尋找有效偵測(cè)潛艇的方法。因?yàn)殡姶挪o(wú)法有效穿透海水，而聲波則能容易地在海里行進(jìn)，因此，當(dāng)時(shí)的藍(lán)杰文（P.Langevin）發(fā)展出利用石英壓晶體管作為聲波產(chǎn)生器?？上У鹊接辛撕媒Y(jié)果，大戰(zhàn)已接近尾聲而來(lái)不及用上了。石英兩面各貼一鋼片，使其振蕩頻率降到50KHz，外加一電脈波訊號(hào)，則經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成聲波傳至海底；過(guò)一段時(shí)間后，換能器接收到由海底反射之回波，由來(lái)回時(shí)間及波在海中行進(jìn)的速度，可決定換能器到海底的距離。這個(gè)原理同樣可測(cè)潛艇的位置。

第一次大戰(zhàn)后不久，石英換能器便發(fā)展出兩項(xiàng)重要的應(yīng)用。首先，哈佛大學(xué)的皮爾士教授（G.W.Pierce）用石英晶體制作超聲波干涉儀，由石英所發(fā)生的超聲波和圖中聲波反射器所反射的回波混合，產(chǎn)生極大值，若微調(diào)反射板使前進(jìn)或后退，則可獲得另一極大值，由兩極大值間的距離，亦即反射板在兩相鄰極大值間所移動(dòng)的距離，可測(cè)出聲波波長(zhǎng)。因?yàn)橐阎l率，因此由頻率與波長(zhǎng)的乘積，可定出波在氣體介質(zhì)中的速度。同時(shí)，由幾個(gè)極大值間的振幅降低率，可求出波在氣體中的表減系數(shù)。當(dāng)時(shí)用它來(lái)測(cè)量聲波在二氧化碳中波速對(duì)頻率的關(guān)系，而求出波速的色散關(guān)系。用這種方法，可研究氣體在不同混合比與溫度下聲波的波速與衰減率。

1927年，伍德（R.W.Wood）與魯密斯（A.L.Loomis）首先使用高功率超聲波。使用藍(lán)杰文型的石英換能器配合高功率真空管，在液體中產(chǎn)生高能量，使液體引起所謂的空腔（cavitation）現(xiàn)象。同時(shí)也研究高功率超聲波對(duì)生物試樣的效應(yīng)。

在水下音響（underwatersound）的研究中發(fā)現(xiàn)，石英晶體并不是很好的換能器材料，但是它的振蕩頻率卻不隨溫度而變，亦即所謂的具有低的溫度系數(shù)。這種頻率對(duì)溫度的高穩(wěn)定性，用在控制振蕩器的頻率，及某些濾波器上最有用。1919年，卡迪（Cady）教授第一次利用石英當(dāng)做頻率控制器，圖四就是最早期的晶體控制振蕩器電路。因?yàn)榫w具有極高的Q值（注三），振蕩器的頻率受到晶體共振頻率的控制，且頻率不隨溫度變化而變。后來(lái)，皮爾士和皮爾士-米勒（Pierce-Miller）又發(fā)明一種以后廣被采用的晶體控制振蕩電路。在第二次世界大戰(zhàn)中，大約使用了一千萬(wàn)個(gè)晶體振蕩器，用以建立坦克與坦克之間及地面和飛機(jī)之間的通訊。

石英晶體另一個(gè)重要的應(yīng)用在于獲得高度頻率選擇性的振蕩器。石英晶體是一個(gè)高Q值的壓電芯片，高Q值意味著低的聲波能量損耗（其衰減率則與頻率平方成正比）；高Q值也意味著窄頻帶，因此不適合聲音傳輸電路使用。為了能在載波通信系統(tǒng)中使用，可用一串聯(lián)電感（見(jiàn)圖五）來(lái)獲得寬帶操作。此類(lèi)濾波器的結(jié)構(gòu)圖，它常被用在有線通訊系統(tǒng)、微波通訊系統(tǒng)等。

二次大戰(zhàn)聲納音鼓所使用的材料是若歇爾鹽而非石英晶體。雖然若歇爾鹽具有高機(jī)電耦合效率，可是卻較不穩(wěn)定，耐壓不高，很難在太高的功率下操作。在理論上，若歇爾鹽是第一個(gè)具有鐵電性（ferroelectricity）的材料，沿著晶軸方向具有一個(gè)自發(fā)極化性（spontaneouspolarization）。圖七表示沿X軸所測(cè)得偏極化量對(duì)溫度的關(guān)系。它具有兩個(gè)居里溫度（Curietemperature），在居里溫度時(shí)偏極化量是零，在兩溫度之間則偏極化是最大。為了紀(jì)念在若歇爾市出生的塞格內(nèi)特（Seignette）博士，這種效應(yīng)稱(chēng)為塞格內(nèi)特鐵電效應(yīng)，一般簡(jiǎn)稱(chēng)為鐵電效應(yīng)，以表示它與鐵磁效應(yīng)的相似性。在鐵電材料中，當(dāng)溫度低于居里溫度時(shí)，材料內(nèi)部具有電雙極（dipole）。大部分氫鍵結(jié)合的電雙極，如若歇爾鹽，其雙極都具有規(guī)則性排列，且一般都只有一個(gè)居里溫度，可是若歇爾鹽則具有兩個(gè)居里溫度，這兩類(lèi)的差異主要在于氫鍵終端負(fù)離子的不同。一般氫鍵晶體的電位井（potentialwell）分布如圖八所示，在兩氧離子之間氫離子可存在的位置有兩個(gè)，氫鍵電雙極值等于電荷和兩組離子分開(kāi)距離差的乘積。外加一電場(chǎng)可使氫離子由一位置跳至另一位置，而使電雙極的方向改變。在高溫，則熱量的擾動(dòng)使氫離子充滿兩個(gè)井的位置的機(jī)會(huì)相等，因此沒(méi)有自然偏極化存在。當(dāng)溫度降低，則兩電雙極相吸而使雙極方向排列趨規(guī)則化。在居里溫度則兩電雙極互相抵消，但在居里溫度加一小外力就能引起大的偏極性。溫度低于居里溫度則自發(fā)偏極性產(chǎn)生。對(duì)于一般具有如圖八的電位井的氫鍵晶體，其偏極性可一直增加，直到飽和發(fā)生。可是對(duì)于若歇爾鹽，則偏極性在達(dá)到一極大值后就開(kāi)始降低到零。其原因可用圖八的電位井分布圖說(shuō)明，在很低溫下，所有氫離子完全分布在兩低能井中，沒(méi)有自發(fā)偏極性存在。溫度上升，有些氫離子得到熱能而躍至較高能階。溫度愈高，這種躍遷機(jī)會(huì)愈大，兩電雙極因互相吸引而產(chǎn)生一較低的居里溫度。圖九表示若歇爾鹽的X光繞射晶體結(jié)構(gòu)。造成鐵電效應(yīng)的是標(biāo)號(hào)1的氧分子與標(biāo)號(hào)10的水分子所組成的氫鍵。對(duì)氫離子言，此二分子是端點(diǎn)上兩個(gè)不同的離子，因此形成如圖八所示的兩個(gè)不同名稱(chēng)之電位井。

以前若歇爾鹽一直是唯一為人所知的鐵電材料，可是現(xiàn)在我們知道，具有鐵電性的材料已超過(guò)百種。鐵電性材料因具有自發(fā)偏極性，且加電場(chǎng)能生感應(yīng)偏極性，因此用它作換能器此一般壓電單晶如石英等具有更高的機(jī)電耦合效率及靈敏度，可是其穩(wěn)定性則略遜于壓晶體管。漸漸地，人們用鐵電陶磁來(lái)作換能器。最早被人使用的是鈦酸鋇（BaTiO3），它是麻省理工學(xué)院的馮希普爾（vonHippel）及蘇俄科學(xué)家伏耳（Vul）及戈曼（Goldman）所分別發(fā)現(xiàn)的。未被極化的陶磁，在域（domain,注五）中之偏極化方向不具規(guī)則性，整片陶磁就像一塊高介電常數(shù)的電容器，因?yàn)樗恍韬苄〉捏w積就有夠大的電容量，因此被用在電視機(jī)上。如在120℃以上的溫度下加一高電壓，則一些域內(nèi)之電耦呈規(guī)則性排列，而有凈的偏極性存在，具壓電效應(yīng)。我們可因外加交流電場(chǎng)的方向不同，而使產(chǎn)生縱波（電場(chǎng)平行于厚度方向）或橫波（電場(chǎng)垂直于厚度方向）?？v波可在水中行進(jìn)，亦可在固體中產(chǎn)生高能量。橫波則因速度較慢，適合用來(lái)制作延遲線。目前最好的壓電陶磁要屬PZT（lead-zirconate-titanate）。

最近兩種重要鐵電材料可用來(lái)制作聲波換能器，一是高分子薄膜，聚雙氟亞乙烯（polyvinylidenefluoride,簡(jiǎn)稱(chēng)PVF2或PVDF），一是氧化鋰鈮（lithiumniobate,LiNbO3）。聚雙氟亞乙烯經(jīng)拉伸及加高直流電壓后呈強(qiáng)壓電性，它具有許多優(yōu)點(diǎn)：其聲波特性阻抗和水很近，阻抗自然匹配，容易獲得寬帶操作，適合非破壞檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷及聲納與水中聽(tīng)音器（hydrophone）使用，尤其是它具有很高的聲波接收系數(shù)，用來(lái)制作被動(dòng)式聲納（passivesonar）之水聽(tīng)器數(shù)組（hydrophoneassay）具有重要性。除外，它具柔軟性，又可耐高電壓（其崩潰電壓比PZT高約100倍）。氧化鋰鈮單晶具有高機(jī)電耦合及極低的聲波衰減系數(shù)，容易激發(fā)高頻表面聲波（Rayleighwave），是用來(lái)制作表面聲波（surfaceacousticwave,簡(jiǎn)稱(chēng)SAW）組件的最佳材料。這些組件在訊號(hào)處理系統(tǒng)與通信系統(tǒng)上具有不可取代的地位。圖十一表示使用氧化鋰鈮表面波通頻濾波器。用一組正負(fù)電壓相間的交趾狀換能器產(chǎn)生表面聲波（所謂的interdigitaltransducer,或簡(jiǎn)稱(chēng)IDT），所激發(fā)聲波之中心頻率由正負(fù)電極間之距離決定，其頻寬則與電極數(shù)目成反比。圖十二表示另一表面聲波脈波伸張與壓縮濾波器，它可用在CHIRP雷達(dá)系統(tǒng)中，以提高搜索范圍與解像力。

另一項(xiàng)重要且獨(dú)特的研究，是在所謂的聲學(xué)顯微上，這種微波頻率的組件使用電濺（sputtered）的壓電薄膜作為聲波換能器，以振動(dòng)產(chǎn)生幾個(gè)GHz（1GHz=109周/秒）聲波，其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為一微米（10-6米）。因?yàn)閾Q能器振動(dòng)頻率和壓晶體管厚度成反比，要產(chǎn)生如此高頻率聲波需用薄膜壓電材料，如氧化鋅或硫化鎘等。

時(shí)值壓電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的一百周年，特參考馬遜（W.P.Mason）之作撰寫(xiě)本文，簡(jiǎn)介壓電性之歷史及其應(yīng)用。早期壓電效應(yīng)僅止于學(xué)術(shù)上的趣味性研究，而如今則已成為非常有用的效應(yīng)，用它制出各式各樣的聲電換能器，其操作頻譜可由100Hz起涵蓋至幾個(gè)GHz，依頻率的不同而有不同的用途。聲納、反潛、海底通訊、電話通訊等是低頻（聲頻、AF波段）訊號(hào)最典型的應(yīng)用。在幾個(gè)MHz范圍，其波長(zhǎng)在毫米范圍，適合用來(lái)作非破壞性的檢驗(yàn)材料（nondestructivetesting,簡(jiǎn)稱(chēng)NDT）與醫(yī)學(xué)診斷上，所謂超聲波成像術(shù)、全像攝影術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助聲波斷層攝影術(shù)等就是針對(duì)這些用途而研究的。頻率在VHF、UHF波段則使用壓電性所研制出來(lái)的表面聲波電子組件。如延遲線、各式濾波器、回旋器（convolver）、相關(guān)器（correlator）等訊號(hào)處理組件，在通訊上與訊號(hào)處理上具有重要的應(yīng)用。當(dāng)頻率高至低微波波段，其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)在微米范圍，用來(lái)制作聲學(xué)顯微鏡，其解像力可和傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡比美，而其機(jī)械波而非電磁波的獨(dú)特性質(zhì)，則可彌補(bǔ)光學(xué)顯微鏡在應(yīng)用上的不足。

注一：對(duì)某些材料施一壓力或拉力，則除了材料外形有所變化外（所謂的應(yīng)變），由于此類(lèi)材料之晶格結(jié)構(gòu)具有某種不對(duì)稱(chēng)性（所謂的inversionasymmetry），外形的變形使內(nèi)部電子分布呈局部性不均勻而產(chǎn)生一凈的電場(chǎng)分布。反之，外加一周期性電壓或電場(chǎng)變化，則能使材料產(chǎn)生變形，及一對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，形狀變化隨外加電壓訊號(hào)之頻率而變，可產(chǎn)生一周期性彈性波或聲波，這種效應(yīng)稱(chēng)為壓電效應(yīng)，這些材料即稱(chēng)為壓電材料。

注二：在一些鐵電材料中，當(dāng)其溫度有所變化時(shí)，則會(huì)引起其自發(fā)偏極矩的變化，而在材料表面呈凈電荷分布，這種效應(yīng)即稱(chēng)為焦電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，可檢知溫度變化或測(cè)量所謂的熱波（thermalwave）。

注三：振蕩器Q值（qualityfactor）的定義是每單位周期振蕩波所損耗的功率，有時(shí)我們用Q=中心頻率/頻寬表示。頻寬愈窄的振蕩器，Q值愈高，如石英振蕩器就是一例。

注四：介入損耗表示一電子組件或組件的總損耗量，即輸出訊號(hào)和輸入訊號(hào)相比之差額，一般以分貝（dB）表示。

注五：在鐵磁材料中，當(dāng)溫度遠(yuǎn)低于居里點(diǎn)時(shí)，以微觀觀點(diǎn)來(lái)看，所有電子的磁矩應(yīng)完全以同一方向排列，其實(shí)不然。實(shí)際上此種材料內(nèi)部分成許多小區(qū)域，在每一區(qū)域內(nèi)磁矩呈規(guī)則性排列，可是小區(qū)域與小區(qū)域間之磁矩排列方向則不盡相同，以致于整個(gè)材料之磁矩遠(yuǎn)小于其飽和磁矩。這些小區(qū)域簡(jiǎn)稱(chēng)為域或疇，在反鐵磁材料、鐵電材料、反鐵電材料、鐵彈性材料（ferroelastics）、超導(dǎo)體材料中亦都有域存在。

壓電效應(yīng)是某些介質(zhì)在力的作用下產(chǎn)生形變時(shí)，在介質(zhì)表面出現(xiàn)異種電荷的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，這種束縛電荷的電量與作用力成正比，而電量越多，相對(duì)應(yīng)的兩表面電勢(shì)差（電壓）也越大。這種神奇的效應(yīng)已被應(yīng)用到與人們生產(chǎn)、生活、軍事、科技密切相關(guān)的許多領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)力──電轉(zhuǎn)換等功能。例如用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以生產(chǎn)出不用火石的壓電打火機(jī)、煤氣灶打火開(kāi)關(guān)、炮彈觸發(fā)引信等。此外，壓電陶瓷還可以作為敏感材料，應(yīng)用于擴(kuò)音器、電唱頭等電聲器件；用于壓電地震儀，可以對(duì)人類(lèi)不能感知的細(xì)微振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并精確測(cè)出震源方位和強(qiáng)度，從而預(yù)測(cè)地震，減少損失。利用壓電效應(yīng)制作的壓電驅(qū)動(dòng)器具有精確控制的功能，是精密機(jī)械、微電子和生物工程等領(lǐng)域的重要器件?？梢哉f(shuō)，壓電陶瓷等器件不僅廣泛應(yīng)用于科技領(lǐng)域，還頗具“平民性”，對(duì)廣大“煙民”來(lái)說(shuō)，天天與壓電陶瓷發(fā)生著“零接觸”，卻熟視無(wú)睹。

目前流行的一次性塑料打火機(jī)，有相當(dāng)一部分是采用壓電陶瓷器件來(lái)打火的。取出其中的壓電打火元件，

壓電效應(yīng)測(cè)量?jī)x器

壓電打火機(jī)的電壓陶瓷元件產(chǎn)生的瞬間電壓用什么儀器可以測(cè)量呢？起初，我們?cè)噲D用普通指針式多用電表直流高壓擋測(cè)量，發(fā)現(xiàn)每次按動(dòng)點(diǎn)火元件的黑色塑料壓桿時(shí)，由于兩個(gè)電極接出的電壓只能使指針略微抖動(dòng)一下。分析原因是，因?yàn)殡妷好}沖持續(xù)時(shí)間甚短，指針慣性較大，指針無(wú)法同步體現(xiàn)電壓的變化做大幅偏轉(zhuǎn)。

換用數(shù)字顯示型多用電表，本以為其無(wú)指針慣性影響，應(yīng)該能讀出瞬間高電壓來(lái)，誰(shuí)知事與愿違，我們根本看不到預(yù)想的高電壓讀數(shù)，只能看到一些變換不定的低電壓數(shù)據(jù)。分析起來(lái)，這是由于液晶顯示響應(yīng)速度較慢，點(diǎn)火電壓脈沖持續(xù)時(shí)間甚短，來(lái)不及顯示最高瞬間電壓，只能顯示電壓降落（較平緩階段）過(guò)程中的某些隨機(jī)電壓讀數(shù)。

最后，我們搬出實(shí)驗(yàn)室的“重磅武器”──示波器，再做一試。我們用的是實(shí)驗(yàn)室最普通的J2459型學(xué)生示波器，連接線為兩條普通的帶終魚(yú)夾的導(dǎo)線。從理論上講，示波器是利用電子束偏轉(zhuǎn)后打在熒光屏上顯示光點(diǎn)移動(dòng)的，電子束慣性極小，應(yīng)該能“跟蹤”上點(diǎn)火高壓脈沖的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不出所料。

壓電效應(yīng)估測(cè)方法

把示波器交直流選擇開(kāi)關(guān)置于“DC”擋，掃描范圍置于“10～100kHz”擋，用X移位和Y移位將水平亮線移到方格坐標(biāo)的中央部，置X軸上。為了能估測(cè)壓電效應(yīng)的最高電壓幅值，我們必須先用熒光屏前的方格坐標(biāo)系，定出電壓標(biāo)尺：利用接在示波器Y輸入接線柱上的兩根導(dǎo)線，把一節(jié)干電池的1.5V電壓加在示波器上，衰減放在1，Y增益放在最低，可以發(fā)現(xiàn)剛才的水平亮線上跳（或下跳）兩格左右，即此時(shí)兩格代表1.5V電壓。在Y增益不變的情況下，再將Y衰減放在1000（即千分之一）擋，熒光屏前方格坐標(biāo)的兩格就可以代表1500V了。

將Y輸入接線柱上的兩根饋線的鱷魚(yú)夾分別接在壓電打火機(jī)壓電元件的兩個(gè)電極上，迅速按下其黑色塑料壓桿，可以看到原來(lái)位于中央高度的水平亮線向上（或向下）跳動(dòng)又恢復(fù)原位。由于熒光屏的余暉作用，水平亮線在示波器上顯現(xiàn)的是一條高度達(dá)四格的亮帶，這表明該脈沖的電壓幅值在3000V以上。

如果想觀察這個(gè)電壓脈沖的波形，可以每次按動(dòng)壓桿的同時(shí)，細(xì)心調(diào)節(jié)示波器“掃描微調(diào)”旋鈕（事先將掃描范圍換到“10～100Hz”擋），我們可以在熒光屏上看到如圖2所示的波形，其電壓上升較陡，降低較平緩，峰值在四格以上。

壓電效應(yīng)脈沖時(shí)間

將示波器的衰減擋置于1000擋，掃描范圍置于“10～100Hz”擋，“掃描微調(diào)”左旋到底，即掃描頻率為10Hz，調(diào)節(jié)“X增益”和“X移位”旋鈕，使X軸掃描線充滿10格，那么每一格代表1/10×1/10s，即0.01按下壓電元件的黑色塑料壓桿，可以看到壓電脈沖持續(xù)一格，如圖3所示，即對(duì)應(yīng)于0.01s，也就是說(shuō)，該脈沖持續(xù)時(shí)間約為0.01s。

壓電陶瓷是功能陶瓷中應(yīng)用極廣的一種。日常生活中很多人使用的“電子打火機(jī)”和煤氣灶上的電子點(diǎn)火器，就是壓電陶瓷的一種應(yīng)用。點(diǎn)火器就是利用壓電陶瓷的壓電特性，向其上施加力，使之產(chǎn)生十幾kV的高電壓，從而產(chǎn)生火花放電，達(dá)到點(diǎn)火的目的。

壓電陶瓷實(shí)際上是一種經(jīng)過(guò)極化處理的、具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷。它是在1946年當(dāng)有人證實(shí)了鈦酸鋇陶瓷有鐵電性之后開(kāi)始問(wèn)世的：差不多十年之后，賈菲（Jaffe）等又發(fā)現(xiàn)了PbTi03-PbZrO2系（即所謂PZT系）及后來(lái)又發(fā)現(xiàn)的mPZT為基的三元系壓電陶瓷和鈮酸鹽系壓電陶瓷。使壓電陶瓷的性能和可應(yīng)用性有了極大的提高。特別是三元系壓電陶瓷的出現(xiàn)，使壓電陶瓷在選擇一定耦合系數(shù)、溫度特性方面有了較大的余地，能滿足多種電子儀器的要求，從而使壓電陶瓷的應(yīng)用范圍大大增加了。例如陶瓷濾波器和陶瓷鑒頻器，電聲換能器，水聲換能器，聲表的波器件，電光器件，紅外探測(cè)器件和壓電陀螺等，都是壓電陶瓷在現(xiàn)代電子技術(shù)中的應(yīng)用。

什么是壓電陶瓷呢？其實(shí)它是一能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。所謂壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在受到機(jī)械壓力時(shí)，哪怕這種壓力微小得像聲波振動(dòng)那樣小，都會(huì)產(chǎn)生壓縮或伸長(zhǎng)等形狀變化，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵(lì)電場(chǎng)，介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形，稱(chēng)逆壓電效應(yīng)。

1880年法國(guó)人居里兄弟發(fā)現(xiàn)了“壓電效應(yīng)”。1942年，第一個(gè)壓電陶瓷材料——鈦酸鋇先后在美國(guó)、前蘇聯(lián)和日本制成。1947年，鈦酸鋇拾音器——第一個(gè)壓電陶瓷器件誕生了。50年代初，又一種性能大大優(yōu)于鈦酸鋇的壓電陶瓷材料--鋯鈦酸鉛研制成功。從此，壓電陶瓷的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。60年代到70年代，壓電陶瓷不斷改進(jìn)，逐趨完美。如用多種元素改進(jìn)的鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷，以鋯鈦酸鉛為基礎(chǔ)的三元系、四元系壓電陶瓷也都應(yīng)運(yùn)而生。這些材料性能優(yōu)異，制造簡(jiǎn)單，成本低廉，應(yīng)用廣泛。

利用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以制造出壓電點(diǎn)火器、移動(dòng)X光電源、炮彈引爆裝置。用兩個(gè)直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一種可連續(xù)打火幾萬(wàn)次的氣體電子打火機(jī)。用壓電陶瓷把電能轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)，可以用來(lái)探尋水下魚(yú)群的位置和形狀，對(duì)金屬進(jìn)行無(wú)損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療，還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵，對(duì)塑料甚至金屬進(jìn)行加工。

壓電陶瓷對(duì)外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲(chóng)拍打翅膀?qū)諝獾臄_動(dòng)，并將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。利用壓電陶瓷的這一特性，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測(cè)、遙測(cè)環(huán)境保護(hù)、家用電器等方面。

如今壓電陶瓷已經(jīng)被科學(xué)家應(yīng)用到國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)以及和人民生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域中，成為信息時(shí)代的多面手。

在航天領(lǐng)域，壓電陶瓷制作的壓電陀螺，是在太空中飛行的航天器、人造衛(wèi)星的“舵”。依靠“舵”，航天器和人造衛(wèi)星，才能保證其既定的方位和航線。傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺，壽命短，精度差，靈敏度也低，不能很好滿足航天器和衛(wèi)星系統(tǒng)的要求。而小巧玲瓏的壓電陀螺靈敏度高，可靠性好。

在潛入深海的潛艇上，都裝有人稱(chēng)水下偵察兵的聲納系統(tǒng)。它是水下導(dǎo)航、通訊、偵察敵艦、清掃敵布水雷的不可缺少的設(shè)備，也是開(kāi)發(fā)海洋資源的有力工具，它可以探測(cè)魚(yú)群、勘查海底地形地貌等。在這種聲納系統(tǒng)中，有一雙明亮的“眼睛”——壓電陶瓷水聲換能器。當(dāng)水聲換能器發(fā)射出的聲信號(hào)碰到一個(gè)目標(biāo)后就會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，這個(gè)反射信號(hào)被另一個(gè)接收型水聲換能器所接收，于是，就發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)。目前，壓電陶瓷是制作水聲換能器的最佳材料之一。

在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)生將壓電陶瓷探頭放在人體的檢查部位，通電后發(fā)出超聲波，傳到人體碰到人體的組織后產(chǎn)生回波，然后把這回波接收下來(lái)，顯示在熒光屏上，醫(yī)生便能了解人體內(nèi)部狀況。

在工業(yè)上，地質(zhì)探測(cè)儀里有壓電陶瓷元件，用它可以判斷地層的地質(zhì)狀況，查明地下礦藏。還有電視機(jī)里的變壓器——電壓陶瓷變壓器，它體積變小、重量減輕，效率可達(dá)60%～80%，能耐住3萬(wàn)伏的高壓，使電壓保持穩(wěn)定，完全消除了電視圖象模糊變形的缺陷?，F(xiàn)在國(guó)外生產(chǎn)的電視機(jī)大都采用了壓電陶瓷變壓器。一只15英寸的顯像管，使用75毫米長(zhǎng)的壓電陶瓷變壓器就行了。這樣就使電視機(jī)體積變小、重量減輕了。

壓電陶瓷也廣泛用于日常生活中。用了兩個(gè)直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代了普通的火石制成的氣體電子打火機(jī)，可連續(xù)打火幾萬(wàn)次。利用同一原理制成的電子點(diǎn)火槍是點(diǎn)燃煤氣爐極好的用具。還有一種用壓電陶瓷元件制作的兒童玩具，比如在玩具小狗的肚子中安裝壓電陶瓷制作的蜂鳴器，玩具都會(huì)發(fā)出逼真有趣的聲音。

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，壓電陶瓷的應(yīng)用必將越來(lái)越廣闊。除了用于高科技領(lǐng)域，它更多的是在日常生活中為人們服務(wù)，為人們創(chuàng)造更美好的生活。

壓電材料會(huì)有壓電效應(yīng)是因晶格內(nèi)原子間特殊排列方式，使得材料有應(yīng)力場(chǎng)與電場(chǎng)耦合的效應(yīng)。根據(jù)材料的種類(lèi)，壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷）、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料四種。根據(jù)具體的材料形態(tài)，則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類(lèi)。

壓電效應(yīng)聚合物

早在1940年，蘇聯(lián)就曾發(fā)現(xiàn)木材具有壓電性。之后又相繼在苧麻、絲竹、動(dòng)物骨骼、皮膚、血管等組織中發(fā)現(xiàn)了壓電性。1960年發(fā)現(xiàn)了人工合成的高分子聚合物的壓電性。1969年發(fā)現(xiàn)電極化后的聚偏二氟乙烯具有較強(qiáng)的壓電性。具有較強(qiáng)壓電性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯和尼龍-11等。

壓電效應(yīng)復(fù)合材料

壓電復(fù)合材料是有兩種或多種材料復(fù)合而成的壓電材料。常見(jiàn)的壓電復(fù)合材料為壓電陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活環(huán)氧樹(shù)脂）的兩相復(fù)合材料。這種復(fù)合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長(zhǎng)處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配。此外，壓電復(fù)合材料還具有壓電常數(shù)高的特點(diǎn)。壓電復(fù)合材料在醫(yī)療、傳感、測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

逆壓電效應(yīng)是指對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長(zhǎng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式，如圖1。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。

對(duì)于壓電效應(yīng)材料來(lái)講。

當(dāng)對(duì)壓電材料施以物理壓力時(shí)，材料體內(nèi)之電偶極矩會(huì)因壓縮而變短，此時(shí)壓電材料為抵抗這變化會(huì)在材料相對(duì)的表面上產(chǎn)生等量正負(fù)電荷，以保持原狀。這種由于形變而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱(chēng)為“正壓電效應(yīng)”。正壓電效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程 。