摘 要 压电效应技术以其特有的优势在能源紧缺的今天发挥了显著的作用。自该技术使用以来，开发出了包括压电晶体、PbTiO3系压电材料、压电陶瓷及高聚物复合材料等新型压电材料。目前压电效应技术在换能器、驱动器、传感器等方面得到了广泛应用。
关键词 压电效应；压电陶瓷；换能器；传感器
中图分类号：TM201 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）23-0107-02
世界经济的快速发展导致了能源消耗的剧增，随着不可再生能源的日渐枯竭以及出于对环境的保护，各国都在大力发展可持续的清洁能源。光能、风能、太阳能等清洁能源逐渐引起人们的重视[1-2]。利用压电效应可进行压力发电，因其具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现小型化和集成化等优点，并且随着压电材料压电性能的提高及新型电力电子器件的使用，能够满足低耗能产品的电能需求而成为目前研究的热点之一[3]。
1 压电效应原理
某些电介质在沿一定方向受外力作用而变形时，内部产生极化的同时，在晶体的两个相对的表面上出现正负电荷，此现象称为压电效应[4]。压电效应分为正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应是指晶体因机械应力的作用而使其介质化，并使其表面荷电的效应。反之，当在晶体外部施加电场时，受电场影响的晶体会产生机械形变，称为逆压电效应。
2 压电材料分类
压电材料经历了石英晶体、压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料等几个里程碑式的发展，现针对压电材料的主要类型进行简要介绍。
1）压电晶体。
压电晶体是较早的压电效应应用的材料，主要有石英晶体（SiO2）、水溶性压电晶体（酒石酸钾钠）以及铌酸锂晶体，由于压电单晶体的性能稳定，造价高昂，一般仅限用于标准仪器或精度要求较高的传感器。压电陶瓷技术的发展逐渐有替代上述材料的趋势。但是近些年来，各国学者为研制出新型晶体压电材料，做了大量工作。目前已研发出了最高可达2600pc/N，k33可高达0.95的单晶压电体，其储能密度可达130J/kg，是压电陶瓷储能密度的10多倍。针对此类压电材料的生产工艺研究已在美国、日本、俄罗斯和中国开展了部分工作，其批量生产的成功必将扩大压电材料的进一步应用。
2）PbTiO3系压电材料。
PbTiO3（简称PT）系压电材料在高频高温压电陶瓷元件的制作中得到了广泛的应用。目前，针对该材料进行了一些研究，主要体现在PbTiO3纳米粉的制备，包括制作原料、制作方法及制作工艺。制作原料的多样性和和制造工艺的不断更新，使得PbTiO3的性能不断得到提升，目前，该材料在换能、超声及工业无损检测等方面得到了日益广泛应用。
3）压电陶瓷。
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料[5]。加工技术的发展使得压电陶瓷的尺寸可减至亚微米级，因此可以将基片做得更薄，出现了细晶粒压电陶瓷。该材料提高了阵列频率，降低了阵列损耗，但同时也降低了压电效应的影响。纳米技术的发展提高了细晶粒压电陶瓷的压电效应，其压电效果与粗晶粒压电陶瓷相当。目前，细晶粒压电陶瓷材料的研发工作为各国所关注。
4）高聚物复合材料。
对于压电高聚物复合材料的研究始于20世纪70年代初[6]。从使用角度考虑，压电高聚物可分为压电塑料、压电橡胶、压电树脂、压电高聚物复合材料及合成多肽等。压电塑料是以合成或天然的压电聚合物为基本成分，在加工过程中可塑制成型，而产品最后能保持形状不变的压电高聚物。压电橡胶是高弹性压电高聚物的总称。一般来说，凡经过加工处理后的压电高聚物，在-130℃～150℃温度范围内具有较大的伸长率、抗拉强度及回弹率的压电高聚物都属于压电橡胶类，具体的可分为压电硅橡胶、压电氟橡胶等。压电树脂是半固态、固态或假固态无定型压电高聚物，透明或半透明，压电性较强的压电树脂如尼龙-11、非晶态极性交替共聚物的偏氰烯-醋酸乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯等。而后发展起来的是压电高聚物复合材料，该材料由两种或两种以上不同压电材料通过物理混合或化学接枝等工艺方法结合在一起，它们“取长补短”，性能优于其中任意一种材料，PZT-环氧树脂、陶瓷-高聚物压电材料较为常用。
压电高聚物无论从材料成分还是从成材形式上分，都没有严格的界限。
3 压电效应的应用
压电效应技术在各种换能器、驱动器以及传感器等的制作方面得到了广泛的应用。
压电效应在换能器中的应用，一个典型的例子是在电信号时间延迟中的应用[7]。过去用传输线制造的延迟线体积很大，而且在传输过程中信号损耗较大，利用压电效应在一块固体介质上贴附发射换能器和接收换能器，通过逆压电效应将电信号转换为声信号在固体介质中传播，一段时间后，通过正压电效应由接收换能器将声信号转换成电信号进行输出，完成信号延迟任务。由于声波在固体介质里的传播速度比电磁波慢五个数量级，因此只用体积很小的固体介质，就可以达到信号延迟的目的。利用压电换能器制作的延迟线，具有体积小、重量轻、性能稳定等特点，制作也比较容易。
利用逆压电效应可制成各种驱动器。按驱动方式不同，压电驱动器可分为刚性位移驱动器和谐振位移驱动器。压电驱动器不需传动机构，并且可达到较高的位移控制精度。同时响应速度快，无机械吻合间隙，可实现电压随动式位移控制，具有较大的力输出的同时功耗较低。我国在该领域取得了突出的成果，如压电超声马达、微型机器人、微小夹持器等。
利用压电效应可制成各种传感器，如压电式压力传感器、超声波传感器和压电式加速度传感器等。压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点，在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器还可以用来测量发动机内部燃烧压力与真空度，在军事工业和生物医学测量中，使用亦颇为广泛。
此外利用压电技术还可以制成压电陀螺、压电流量计等各种测量仪器，以及鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等，在生产、生活、科研及国防上都有着重要的用途。
4 结束语
压电效应技术以其特有的优势在能源需求不断增长的今天，得到了日益广泛的应用。本文从压电晶体、PbTiO3系压电材料、压电陶瓷及高聚物复合材料四个方面针对压电材料进行了介绍，给出了该技术在换能器、驱动器及传感器等方面的应用，相信压电技术的发展会为我们带来更加美好的明天。
参考文献
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[4]张福学，王丽坤.现代压电学[M].北京：科学出版社，2002.
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