壓電效應(yīng)壓電材料

壓電材料會有壓電效應(yīng)是因晶格內(nèi)原子間特殊排列方式，使得材料有應(yīng)力場與電場耦合的效應(yīng)。根據(jù)材料的種類，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。

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的壓電性。具有較強壓電性的材料包括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。壓電復(fù)合材料在醫(yī)療、傳感、測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

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”和煤氣灶上的電子點火器，就是壓電陶瓷的一種應(yīng)用。點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)到點火的目的。

壓電陶瓷實際上是一種經(jīng)過極化處理的、具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷。它是在1946年當(dāng)有人證實了鈦酸鋇陶瓷有鐵電性之后開始問世的：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？其實它是一能夠?qū)C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)在受到機械壓力時，哪怕這種壓力微小得像聲波振動那樣小，都會產(chǎn)生壓縮或伸長等形狀變化，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機械變形，稱逆壓電效應(yīng)。

1880年法國人居里兄弟發(fā)現(xiàn)了“壓電效應(yīng)”。1942年，第一個壓電陶瓷材料——鈦酸鋇先后在美國、前蘇聯(lián)和日本制成。1947年，鈦酸鋇拾音器——第一個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)展進入了新的階段。60年代到70年代，壓電陶瓷不斷改進，逐趨完美。如用多種元素改進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)運而生。這些材料性能優(yōu)異，制造簡單，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，可以制造出壓電點火器、移動X光電源、炮彈引爆裝置。用兩個直徑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)打火幾萬次的氣體電子打火機。用壓電陶瓷把電能轉(zhuǎn)換成超聲振動，可以用來探尋水下魚群的位置和形狀，對金屬進行無損探傷，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，對塑料甚至金屬進行加工。

壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動，并將極其微弱的機械振動轉(zhuǎn)換成電信號。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、遙測環(huán)境保護、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，也是開發(fā)海洋資源的有力工具，它可以探測魚群、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)射出的聲信號碰到一個目標(biāo)后就會產(chǎn)生反射信號，這個反射信號被另一個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，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)在國外生產(chǎn)的電視機大都采用了壓電陶瓷變壓器。一只15英寸的顯像管，使用75毫米長的壓電陶瓷變壓器就行了。這樣就使電視機體積變小、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，可連續(xù)打火幾萬次。利用同一原理制成的電子點火槍是點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。

壓電效應(yīng)是某些介質(zhì)在力的作用下產(chǎn)生形變時，在介質(zhì)表面出現(xiàn)異種電荷的現(xiàn)象。實驗表明，這種束縛電荷的電量與作用力成正比，而電量越多，相對應(yīng)的兩表面電勢差（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、煤氣灶打火開關(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)用于擴音器、電唱頭等電聲器件；用于壓電地震儀，可以對人類不能感知的細(xì)微振動進行監(jiān)測，并精確測出震源方位和強度，從而預(yù)測地震，減少損失。利用壓電效應(yīng)制作的壓電驅(qū)動器具有精確控制的功能，是精密機械、微電子和生物工程等領(lǐng)域的重要器件?？梢哉f，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”，對廣大“煙民”來說，天天與壓電陶瓷發(fā)生著“零接觸”，卻熟視無睹。

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

壓電效應(yīng)測量儀器

壓電打火機的電壓陶瓷元件產(chǎn)生的瞬間電壓用什么儀器可以測量呢？起初，我們試圖用普通指針式多用電表直流高壓擋測量，發(fā)現(xiàn)每次按動點火元件的黑色塑料壓桿時，由于兩個電極接出的電壓只能使指針略微抖動一下。分析原因是，因為電壓脈沖持續(xù)時間甚短，指針慣性較大，指針無法同步體現(xiàn)電壓的變化做大幅偏轉(zhuǎn)。

換用數(shù)字顯示型多用電表，本以為其無指針慣性影響，應(yīng)該能讀出瞬間高電壓來，誰知事與愿違，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，這是由于液晶顯示響應(yīng)速度較慢，點火電壓脈沖持續(xù)時間甚短，來不及顯示最高瞬間電壓，只能顯示電壓降落（較平緩階段）過程中的某些隨機電壓讀數(shù)。

最后，我們搬出實驗室的“重磅武器”──示波器，再做一試。我們用的是實驗室最普通的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移動的，電子束慣性極小，應(yīng)該能“跟蹤”上點火高壓脈沖的變化，實驗結(jié)果不出所料。

壓電效應(yīng)估測方法

把示波器交直流選擇開關(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夾分別接在壓電打火機壓電元件的兩個電極上，迅速按下其黑色塑料壓桿，可以看到原來位于中央高度的水平亮線向上（或向下）跳動又恢復(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。

如果想觀察這個電壓脈沖的波形，可以每次按動壓桿的同時，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，即對應(yīng)于0.01s，也就是說，該脈沖持續(xù)時間約為0.01s。

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年前在杰克斯的實驗室發(fā)現(xiàn)了壓電性。起先，皮爾致力于焦電現(xiàn)象（pyroelectriceffect，注二）與晶體對稱性關(guān)系的研究，后來兄弟倆卻發(fā)現(xiàn)，在某一類晶體中施以壓力會有電性產(chǎn)生。他們又系統(tǒng)的研究了施壓方向與電場強度間的關(guān)系，及預(yù)測某類晶體具有壓電效應(yīng)。經(jīng)他們實驗而發(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，或者因為原子軌道上電子分布的變形而引起離子偏極化所造成，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)之對稱性而定。壓電現(xiàn)象理論最早是李普曼（Lippmann）在研究熱力學(xué)原理時就已發(fā)現(xiàn)，后來在同一年，居里兄弟做實驗證明了這個理論，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（class）可能具有壓電效應(yīng)（32類中不具有對稱中心的有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，壓晶體管可用來作為聲波的產(chǎn)生器與接收器，無論在軍事上（如聲納）、工業(yè)上、工程上都具有廣泛的用途?？墒窃缭诰永镄值馨l(fā)現(xiàn)壓電性后的三分之一世紀(jì)中，壓電效應(yīng)在應(yīng)用上幾乎沒有受到任何重視。就是皮爾本人也只不過用它來測量鐳元素所輻射出的電荷罷了。到了第一次世界大戰(zhàn)，盟軍軍艦受到德國潛艇的攻擊大量受損，于是設(shè)法尋找有效偵測潛艇的方法。因為電磁波無法有效穿透海水，而聲波則能容易地在海里行進，因此，當(dāng)時的藍(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，則經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成聲波傳至海底；過一段時間后，換能器接收到由海底反射之回波，由來回時間及波在海中行進的速度，可決定換能器到海底的距離。這個原理同樣可測潛艇的位置。

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的距離，可測出聲波波長。因為已知頻率，因此由頻率與波長的乘積，可定出波在氣體介質(zhì)中的速度。同時，由幾個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)時用它來測量聲波在二氧化碳中波速對頻率的關(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。同時也研究高功率超聲波對生物試樣的效應(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。因為晶體具有極高的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，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，大約使用了一千萬個晶體振蕩器，用以建立坦克與坦克之間及地面和飛機之間的通訊。

石英晶體另一個重要的應(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（見圖五）來獲得寬帶操作。此類濾波器的結(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，若歇爾鹽是第一個具有鐵電性（ferroelectricity）的材料，沿著晶軸方向具有一個自發(fā)極化性（spontaneouspolarization）。圖七表示沿X軸所測得偏極化量對溫度的關(guān)系。它具有兩個居里溫度（Curietemperature），在居里溫度時偏極化量是零，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)稱為塞格內(nèi)特鐵電效應(yīng)，一般簡稱為鐵電效應(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，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，且一般都只有一個居里溫度，可是若歇爾鹽則具有兩個居里溫度，這兩類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，氫鍵電雙極值等于電荷和兩組離子分開距離差的乘積。外加一電場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，則熱量的擾動使氫離子充滿兩個井的位置的機會相等，因此沒有自然偏極化存在。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。可是對于若歇爾鹽，則偏極性在達(dá)到一極大值后就開始降低到零。其原因可用圖八的電位井分布圖說明，在很低溫下，所有氫離子完全分布在兩低能井中，沒有自發(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，這種躍遷機會愈大，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1的氧分子與標(biāo)號10的水分子所組成的氫鍵。對氫離子言，此二分子是端點上兩個不同的離子，因此形成如圖八所示的兩個不同名稱之電位井。

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百種。鐵電性材料因具有自發(fā)偏極性，且加電場能生感應(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，因為它只需很小的體積就有夠大的電容量，因此被用在電視機上。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的方向不同，而使產(chǎn)生縱波（電場平行于厚度方向）或橫波（電場垂直于厚度方向）?？v波可在水中行進，亦可在固體中產(chǎn)生高能量。橫波則因速度較慢，適合用來制作延遲線。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制作聲波換能器，一是高分子薄膜，聚雙氟亞乙烯（polyvinylidenefluoride,簡稱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壓電性，它具有許多優(yōu)點：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、醫(yī)學(xué)診斷及聲納與水中聽音器（hydrophone）使用，尤其是它具有很高的聲波接收系數(shù)，用來制作被動式聲納（passivesonar）之水聽器數(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），是用來制作表面聲波（surfaceacousticwave,簡稱SAW）組件的最佳材料。這些組件在訊號處理系統(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,或簡稱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。

另一項重要且獨特的研究，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，以振動產(chǎn)生幾個GHz（1GHz=109周/秒）聲波，其對應(yīng)波長約為一微米（10-6米）。因為換能器振動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）之作撰寫本文，簡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）訊號最典型的應(yīng)用。在幾個MHz范圍，其波長在毫米范圍，適合用來作非破壞性的檢驗材料（nondestructivetesting,簡稱NDT）與醫(yī)學(xué)診斷上，所謂超聲波成像術(shù)、全像攝影術(shù)、計算機輔助聲波斷層攝影術(shù)等就是針對這些用途而研究的。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）等訊號處理組件，在通訊上與訊號處理上具有重要的應(yīng)用。當(dāng)頻率高至低微波波段，其對應(yīng)波長在微米范圍，用來制作聲學(xué)顯微鏡，其解像力可和傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡比美，而其機械波而非電磁波的獨特性質(zhì)，則可彌補光學(xué)顯微鏡在應(yīng)用上的不足。

注一：對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），由于此類材料之晶格結(jié)構(gòu)具有某種不對稱性（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)生一凈的電場分布。反之，外加一周期性電壓或電場變化，則能使材料產(chǎn)生變形，及一對應(yīng)的應(yīng)力，形狀變化隨外加電壓訊號之頻率而變，可產(chǎn)生一周期性彈性波或聲波，這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)，這些材料即稱為壓電材料。

注二：在一些鐵電材料中，當(dāng)其溫度有所變化時，則會引起其自發(fā)偏極矩的變化，而在材料表面呈凈電荷分布，這種效應(yīng)即稱為焦電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)，可檢知溫度變化或測量所謂的熱波（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，即輸出訊號和輸入訊號相比之差額，一般以分貝（dB）表示。

注五：在鐵磁材料中，當(dāng)溫度遠(yuǎn)低于居里點時，以微觀觀點來看，所有電子的磁矩應(yīng)完全以同一方向排列，其實不然。實際上此種材料內(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，以致于整個材料之磁矩遠(yuǎn)小于其飽和磁矩。這些小區(qū)域簡稱為域或疇，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。

當(dāng)您將按鈕輕輕一撳，煤氣灶迅即燃起藍(lán)色火焰，您可曾意識到是什么帶給您的這份便利呢？將一塊看起來平淡無奇的陶瓷接上導(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——竟然產(chǎn)生了電流，豈非咄咄怪事？其實，這是壓電陶瓷，一種能夠?qū)C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，施加激勵電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機械變形，稱逆壓電效應(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，以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動、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械振動轉(zhuǎn)換成電信號，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護、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，使人類陷入了無計可施的尷尬境地。

壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，別小看這微小的變化，基于這個原理制做的精確控制機構(gòu)－－壓電驅(qū)動器，對于精密儀器和機械的控制、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，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)備無法望其項背而面臨著被替代的命運。

我們來看一種新型自行車減震控制器，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，通過使用壓電材料，首次提供了連續(xù)可變的減震功能。一個傳感器以每秒50次的速率監(jiān)測沖擊活塞的運動，如果活塞快速動作，一般是由于行駛在不平地面而造成的快速沖擊，這時需要啟動最大的減震功能；如果活塞運動較慢，則表示路面平坦，只需動用較弱的減震功能。

可以說，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：即振動能和超聲振動能-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)動器應(yīng)用。

1、換能器

換能器是將機械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵?qū)動下產(chǎn)生機械振動的器件

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)計則利用了聚合物壓電雙晶片或壓電單晶片在外電場驅(qū)動下的彎曲振動，利用上述原理可生產(chǎn)電聲器件如麥克風(fēng)、立體聲耳機和高頻揚聲器。目前對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，研制運用其它現(xiàn)行技術(shù)難以實現(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、聲波測試設(shè)備等方面。為滿足特定要求而開發(fā)的各種原型水聲器件，采用了不同類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)量級相同等特點，最后一個特點使得由壓電聚合物制備的水聽器可以放置在被測聲場中，感知聲場內(nèi)的聲壓，且不致由于其自身存在使被測聲場受到擾動。而聚合物的高彈性則可減小水聽器件內(nèi)的瞬態(tài)振蕩，從而進一步增強壓電聚合物水聽器的性能。

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)動器

壓電驅(qū)動器利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能或機械運動，聚合物驅(qū)動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展的驅(qū)動器應(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)想獲得實際應(yīng)用，還需要進行大量研究。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)動器創(chuàng)造了有利條件。在潛在國防應(yīng)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(fā)射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在系統(tǒng)地進行之中。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，所以在連接時要特別注意，避免漏電。

壓電式壓力傳感器的優(yōu)點是具有自生信號，輸出信號大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié)構(gòu)堅固。其缺點是只能用于動能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動或過大壓力時，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。在壓電晶片的兩個表面上鍍有電極，并引出引線。在壓電晶片上放置一個質(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，螺帽對質(zhì)量塊預(yù)加載荷，整個組件裝在一個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)生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用由剛度較大的材料來制造，殼體和基座的重量差不多占傳感器重量的一半。

測量時，將傳感器基座與試件剛性地固定在一起。當(dāng)傳感器受振動力作用時，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動，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，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量儀器測試出試件的加速度；如果在放大器中加進適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測試試件的振動速度或位移。

4、在機器人接近覺中的應(yīng)用（超聲波傳感器）

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

超聲波是人耳聽不見的一種機械波，頻率在20KHZ以上。人耳能聽到的聲音，振動頻率范圍只是20HZ－20000HZ。超聲波因其波長較短、繞射小，而能成為聲波射線并定向傳播，機器人采用超聲傳感器的目的是用來探測周圍物體的存在與測量物體的距離。一般用來探測周圍環(huán)境中較大的物體，不能測量距離小于30mm的物體。

超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時電路和控制電路四個主要部分。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。同時超聲接受器開始檢測回聲信號，定時電路也開始計時。當(dāng)超聲波遇到物體后，就被反射回來。等到超聲接受器收到回聲信號后，定時電路停止計時。此時定時電路所記錄的時間，是從發(fā)射超聲波開始到收到回聲波信號的傳播時間。利用傳播時間值，可以換算出被測物體到超聲傳感器之間的距離。這個換算的公式很簡單，即聲波傳播時間的一半與聲波在介質(zhì)中傳播速度的乘積。超聲傳感器整個工作過程都是在控制電路控制下順序進行的。

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，可以改進材料的加工性，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，提高器件的機械強度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅(qū)動電壓，這對提高疊層變壓器、制動器都是有益的。減小粒徑有上述如此多的好處，但同時也帶來了降低壓電效應(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爭了。近年來，人們用細(xì)晶粒壓電陶瓷進行了切割研磨研究，并制作出了一些高頻換能器、微制動器及薄型蜂鳴器（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)用開發(fā)仍是近期的熱點。

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。抑制晶粒長大，從而得到各個晶粒細(xì)小、各向異性的改性PbTiO3材料。近幾年，改良PbTiO3材料報道較多，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

無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料，兼?zhèn)錈o機和有機壓電材料的性能，并能產(chǎn)生兩相都沒有的特性。因此，可以根據(jù)需要，綜合二相材料的優(yōu)點，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。國內(nèi)學(xué)者對這個領(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型的壓電材料壓電效應(yīng)要強，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，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)變高一個數(shù)量級。儲能密度高達(dá)130J/kg，而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內(nèi)。鐵電壓電學(xué)者們稱這類材料的出現(xiàn)是壓電材料發(fā)展的又一次飛躍。現(xiàn)在美國、日本、俄羅斯和中國已開始進行這類材料的生產(chǎn)工藝研究，它的批量生產(chǎn)的成功必將帶來壓電材料應(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”。世界各國的研究者們發(fā)起了一項挑戰(zhàn)：看誰能夠最先利用人造肌肉制造出機器人手臂，而且必須在與人的手臂的一對一掰手腕比賽中取勝。

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，他們通過實驗驗證了逆壓電效應(yīng)，并得出了正逆壓電常數(shù)。1984年，德國物理學(xué)家沃德馬·沃伊特（德語：Woldemar Voigt），推論出只有無對稱中心的20中點群的晶體才可能具有壓電效應(yīng)。

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,內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；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，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

是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(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)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。

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

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)變大小與電場平方成正比，與電場方向無關(guān)。壓電效應(yīng)僅存在于無對稱中心的晶體中。而電致伸縮效應(yīng)對所有的電介質(zhì)均存在，不論是非晶體物質(zhì)，還是晶體物質(zhì)，不論是中心對稱性的晶體，還是極性晶體。

下面我們利用壓電陶瓷測試壓電效應(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的兩根引線通過一個按鈕開關(guān)與信號發(fā)生器相聯(lián)。將壓電陶瓷片B的兩根引線與擴音器（帶喇叭）的輸入端相連。將A、B兩個壓電陶瓷片用黑封泥固定在同一個木板制成的箱子上。當(dāng)觀察者將按鈕開關(guān)按下，接通信號發(fā)生器和壓電陶瓷A時，由于逆壓電效應(yīng)，A開始振動，并把振動傳給木箱，木箱的振動傳給壓電陶瓷B，由于壓電效應(yīng)，使B兩邊產(chǎn)生變化電信號，再傳給擴音器使喇叭發(fā)聲，所以這個實驗同時演示了壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

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)生電荷的過程，一般這一過程是可逆的，即當(dāng)材料受到電參數(shù)作用，材料也會產(chǎn)生形變能。木材纖維素、腱膠原和各種聚氨基酸都是常見的高分子壓電性材料，但是其壓電率太低，而沒有使用價值。在有機高分子材料中聚偏氟乙烯等類化合物具有較強的壓電性質(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。前者比較常見的例子是超聲波診斷儀的探頭、聲納、耳機、麥克風(fēng)、電話、血壓計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)纖維對準(zhǔn)器件、自動開閉的簾幕、唱機和錄像機的對準(zhǔn)件。

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

壓電材料可以因機械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(chǎn)生機械變形，這種固有的機-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，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(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，在未來的飛行器設(shè)計中占有重要的地位。

有一類十分有趣的晶體，當(dāng)你對它擠壓或拉伸時，它的兩端就會產(chǎn)生不同的電荷。這種效應(yīng)被稱為壓電效應(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，在此薄片上也會出現(xiàn)電荷，不過符號相反。擠壓或拉伸的力愈大，晶體上的電荷也會愈多。如果在薄片的兩端鍍上電極，并通以交流電，那么薄片將會作周期性的伸長或縮短，即開始振動。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，其面積不過數(shù)平方毫米，厚度則只有零點幾毫米。別小看這小小的晶片，它在無線電技術(shù)中卻發(fā)揮著巨大作用。如前所述，在交變電場中，這種薄片的振動頻率絲毫不變。這種穩(wěn)定不變的振動正是無線電技術(shù)中控制頻率所必須的，你家中的彩色電視機等許多電器設(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核心部件叫石英振子。就是這個關(guān)鍵部件保證了石英表比其他機械表更高的走時準(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、內(nèi)燃機及各種化工設(shè)備中壓力的變化成為現(xiàn)實。利用壓電晶體甚至可以測量管道中流體的壓力、大炮炮筒在發(fā)射炮彈時承受的壓力以及炸彈爆炸時的瞬時壓力等。

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)上的壓電晶片會把聲音的振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?。聲波一碰到壓電薄片，就會使薄片兩端電極上產(chǎn)生電荷，其大小和符號隨著聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化，再通過電子裝置，可以變成無線電波傳到遙遠(yuǎn)的地方。這些無線電波為收音機所接收，并通過安放在收音機喇叭上的壓電晶體薄片的振動，又變成聲音回蕩在空中。是不是可以這樣說，麥克風(fēng)中的壓電晶片能“聽得見”聲音，而揚聲器上的壓電晶體薄片則會“說話” 或“唱歌”。

壓電體受到外機械力作用而發(fā)生電極化，并導(dǎo)致壓電體兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與外機械力成正比，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng). 壓電體受到外電場作用而發(fā)生形變，其形變量與外電場強度成正比，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(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)的對稱性所決定的.

逆壓電效應(yīng)是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(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)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。

對于壓電效應(yīng)材料來講。

當(dāng)對壓電材料施以物理壓力時，材料體內(nèi)之電偶極矩會因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料相對的表面上產(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)象稱為“正壓電效應(yīng)”。正壓電效應(yīng)實質(zhì)上是機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程 。