當(dāng)你在點燃煤氣灶或熱水器時，就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務(wù)了一次。生產(chǎn)廠家在這類壓電點火裝置內(nèi)，藏著一塊壓電陶瓷，當(dāng)用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓，進(jìn)而將電能引向燃?xì)獾某隹诜烹?，于是，燃?xì)饩捅浑娀鸹c燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應(yīng)。
壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(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。
壓電材料（piezoelectric material），受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。利用壓電材料的特性可實現(xiàn)機(jī)械振動（聲波）和交流電的互相轉(zhuǎn)換。因而壓電材料廣泛用于傳感器元件中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測量元件以及電聲傳感器等。
石英（SiO2，J·居里和P·居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的），性穩(wěn)定，但價格高，一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中；
優(yōu)點：Q值較大，有良好的溫度特性。
缺點：制程困難，價格貴。
PZT、BaTiO3、PTiO3、鉍層狀陶瓷等。
優(yōu)點：抗酸堿，機(jī)電耦合系數(shù)高，易制程任意形狀，價格便宜。
缺點：溫度系數(shù)大，需高壓極化處理(kV/mm)。
聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜，當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2—PZT)。
優(yōu)點：低聲學(xué)阻抗特性，柔軟可做極薄的組件。
缺點：壓電參數(shù)小，需極高的極化電場(MV/mm)。
壓電陶瓷與聚合物的復(fù)合，同時兼具陶瓷的高壓電性能，又有聚合物的韌性，一些指標(biāo)特別優(yōu)異。0-3型、1-3型、3-3型。
主要分類：
1、正壓電效應(yīng)
將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電能，如點火裝置，拾音器等，是機(jī)電換能器。
2、逆壓電效應(yīng)
主要用于壓電蜂鳴器，如音樂賀卡、門鈴和揚聲器等。
換能器是將機(jī)械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵?qū)動下產(chǎn)生機(jī)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(jī)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。
立體聲耳機(jī)
傳感器陣列
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(jìn)一步增強(qiáng)壓電聚合物水聽器的性能。
超聲成像
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。
壓電驅(qū)動器利用逆壓電效應(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(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(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。
顯示器件控制
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。
優(yōu)點：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。
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(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測試試件的振動速度或位移。
超聲波是人耳聽見的一種機(jī)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(jī)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。
傳感器
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。
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。
新材料的發(fā)展趨勢是：復(fù)合化、功能特殊化、性能極限化和結(jié)構(gòu)微型化。 性能優(yōu)良的壓電材料將成為本世紀(jì)重要的新材料。目前壓電材料主要研究熱點集中在弛豫型單晶、多元體系復(fù)合材料以及以下幾個方面。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，原子能、能源、航空航天、冶金、石油化工等許多工業(yè)和科研部門迫切需要能夠在更高的溫度下工作的電子設(shè)備。眾所周知，PZT基壓電陶瓷的Tc一般為300~360℃，不能滿足某些應(yīng)用領(lǐng)域的需要，研制一些具有優(yōu)良壓電性（高居里溫度Tc）的壓電陶瓷成為研究的熱點。目前關(guān)于高溫壓電陶瓷的研究主要集中在BiScO3-PbTiO3（BSPT ）、堿金屬鈮酸鹽和具有非鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的偏鈮酸鉛三種體系，高居里單晶材料主要為鋰鹽類壓電和鐵電單晶如鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO3）、鍺酸鋰（LiGeO3）等材料。
以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多晶粒組成的多晶材料。在高頻器件以及超低壓致動器和微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用方面，這樣的尺寸不能滿足需要。減小粒徑至亞微米級，可以改進(jìn)材料的加工性，可將基片做得更薄，以提高陣列頻率。降低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、制動器的性能都非常有益。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，細(xì)晶粒壓電陶瓷材料的研究和應(yīng)用正成為近期的熱點。
目前所用的壓電陶瓷絕大部分為鉛基壓電陶瓷，這些陶瓷材料中氧化鉛約占70%左右。由于氧化鉛有毒，高溫下易揮發(fā)，從而這類材料在制備、使用及后續(xù)廢棄處理過程中都會給環(huán)境和人類生活帶來危害。隨著環(huán)境保護(hù)和人類社會可持續(xù)發(fā)展的要求，發(fā)展環(huán)境協(xié)調(diào)性的無鉛鐵電壓電陶瓷材料及技術(shù)是材料發(fā)展的趨勢之一。目前對BaTiO3、鈦酸鉍鈉（BNT）、鉍層狀結(jié)構(gòu)以及鈮酸鹽四大類無鉛壓電陶瓷體系進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)工作。但總體上講，無鉛壓電陶瓷與鉛基壓電陶瓷相比，還存在較大的差距，要獲得與鉛基壓電陶瓷性能相近的無鉛體系壓電陶瓷，還需要進(jìn)行大量深入的研究工作。
來源：材料十
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