壓電陶瓷是電子陶瓷的重要分支，是一種能將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，由于具有正逆壓電效應（即機械能和電能之間能夠互相轉換），在壓電傳感器、驅動器、超聲換能器、壓電蜂鳴器和濾波器等器件中得到了廣泛的應用。目前壓電陶瓷大多是用鋯鈦酸鉛 (PZT)、鈮鎂酸鉛等固溶體制成的，這類材料具有很大的脆性，結構簡單的片狀壓電陶瓷可用干壓法、等靜壓法、軋膜法、流延法等成型方法制備，但隨著器件性能要求和實際應用需求的不斷提高，壓電陶瓷的結構設計越來越復雜和精密，常規的成型方法無法滿足這些需求，因此如何制備復雜結構的壓電陶瓷成為了當前研究人員的廣泛關注的話題。

壓電陶瓷的原理和制備流程

壓電陶瓷的壓電效應是基于陶瓷晶體的電荷分布差異以及電極的導電作用產生的，陶瓷晶體在自然狀態下具有電性中性，但當對壓電陶瓷施加機械應力或壓力時，晶體結構會發生略微的畸變，導致正負電荷分布不再平衡，產生電場，最后電極有效地收集壓電效應產生的電荷，以供外部電路使用。可以說，陶瓷晶體和電極是壓電陶瓷中最關鍵的兩個組成部分，其制備也包括了陶瓷胚體的制備、燒結、上電極和極化4個步驟。

壓電效應原理

1、胚體制備：

胚體的制備首先需要合適的原料，目前壓電陶瓷體系主要包括鋯鈦酸鉛（PZT）體系以及鈦酸鋇基（BTO）、鈦酸鉍鈉基（NBT）、鈮酸鉀鈉基（KNN）等無鉛體系，其中每種體系內的配比可根據實際需求靈活調整。原料配比完成后將其制成均勻的漿料，再利用不同的成型方法將漿料制成所需形狀的陶瓷胚體。

2、燒結

燒結是顆粒重排靠近，使材料致密化以及晶粒生長的過程，過高的燒結溫度使陶瓷晶粒生長過大或組織結構不均勻，而燒結溫度過低則會導致晶粒發育不完全，這都會導致壓電陶瓷元件的壓電性能和機械性能受到影響。

3、上電極

上電極就是在壓電陶瓷的表面上設置導電電極，使用的材料主要為Cu、Ag、 Ni 、Au等。使用的工藝方法為燒滲、化學沉積、真空鍍膜等。

4、極化

陶瓷內部的各晶粒雖然存在自發極化，具有鐵電性，但是其自發極化電疇的取向是完全隨機的，宏觀上并不具有極化強度，因此壓電陶瓷元件上電極后，還需要經過極化才能顯示壓電效應。在高壓直流電場作用下電疇沿電場方向定向排列，而且在電場去除后，這種定向狀態大部分能夠被保留下來，使陶瓷呈現壓電效應。

極化前后電鑄取向對比

復雜結構的壓電陶瓷制備方法

復雜結構的壓電陶瓷在多維度運動和集成場景中（如柔性機器人和夾持裝置等）發揮著關鍵作用，它具備多方向的壓電效應，能夠實現高精度的位置控制和高動態力控制。同時，由于復雜結構的壓電陶瓷在厚度、電場或機械應力方面具有非均勻分布的特點，并且可以集成包括聲學、機械、電學和光學等多種功能，在一些特殊場景如聲學透鏡、波導和諧振腔等都存在廣闊的應用前景。另外，在一些需要適應曲面或貼合的應用中，例如身體傳感器、生物醫學設備和可穿戴技術，具有復雜結構的壓電陶瓷也被廣泛采用。

柔性機器人、聲學透鏡、人體傳感器

與簡單結構的壓電陶瓷相比，具有復雜結構的壓電陶瓷在制備過程中最大的挑戰莫過于胚體制備環節的成型階段，傳統的干壓成型、等靜壓成型、流延成型等只適合用于制備結構相對簡單的壓電陶瓷，但近年來技術的進步，一些新的成型工藝也在制備復雜結構的壓電陶瓷方面也得到了成功應用，其中包括無模成型（增材制造）技術、凝膠注模成型、注射成型等成型工藝。

一、無模成型技術

壓電陶瓷無模成型技術（增材制造）是目前市場上精度較高的成型工藝，主要利用三維建模后逐層堆積或固化材料來構建物體，具有成型效率高、無需模具等優點, 可滿足個性化、整體化、復雜化制造需求。

1、直寫成型技術（DIW）

直寫成型技術是一種基于材料擠出成型的增材制造技術, 打印過程中配置好的陶瓷漿料通過直寫噴頭擠出，并逐層沉積形成胚體。該方法對加工環境要求不高，設備也相對簡單，噴頭通常是由氣體或機械裝置驅動的針管，無需激光、加熱、紫外線等外在條件，因此具有低成本、高固含量、高致密度等優點，有利于制備具有大跨度、懸垂結構的壓電陶瓷，是制備壓電陶瓷應用最為廣泛的一種增材制造技術。但由于 DIW 無法實現支撐設計, 故所用漿料應具有良好的粘彈性, 以便在噴嘴的剪切作用下形成連續長絲，維持完整的結構形狀。

墨水直寫成型 PZT 陶瓷燒結件照片

2.噴墨打印成型技術（LJP）

噴墨打印成型技術選擇性地將陶瓷墨水逐層噴射到載體上，每層墨水速干成型。其中最為關鍵的步驟是陶瓷墨水的制備，即將陶瓷粉末，粘結劑以及其他有機添加物混合配制。陶瓷墨水要求具有合適的黏度、表面張力、導電率、較高的固含量和較快的干燥速率。該技術具有低成本、工藝簡單的特點。但僅適用于制備小型壓電陶瓷構件, 同時與DIW技術一樣無法設計支撐結構, 限制了其可打印構件的復雜性及結構可控性。

3.光固化技術

光固化成型技術的原理是將陶瓷粉料加入可固化的光敏樹脂，部分UV掃描固化。按照紫外線掃描點成像和面成像可分為立體微光刻技術(SLA)和數字光處理技術(DLP)。其中，DLP是后發展起來的，其漿料的固化發生在上一成型層與料缸底部間的極小區域, 避免了SLA中刮刀重涂帶動高粘度漿料產生的剪切力破壞成型件, 也能更精確地控制切片高度。但受到成型缸尺寸限制, 目前還無法制備大尺寸壓電陶瓷構件。

光固化成型技術的優點在于生產周期短、原型表面質量優良、可實現自動化生產等，但也存在易翹曲變形、成本較高且光敏樹脂有微毒的缺點。 

數字光處理成型壓電陶瓷照片及其壓電復合材料

4.熔化沉積技術（FDM）

熔化沉積成型技術的原材料一般是熱塑性樹脂和陶瓷粉體的混合物。其工藝流程是將原材料在略高于熔點的環境溫度下熔化成流體狀, 接著在計算機控制下逐步擠出并沉積到下方的載體上, 進而逐層疊加成型，獲得生坯，其精度為毫米級。

熔化沉積型梯度壓電陶瓷截面照片

熔化沉積成型技術具有制作過程簡單，成本降低，設計靈活且設備維護簡單的優點。但由于陶瓷材料熔點高, 無法直接通過 FDM 工藝成型, 常將陶瓷顆粒混入熱塑性材料中制成絲材進行打印，應用材料具有局限性，目前采用 FDM 工藝制備壓電陶瓷的研究較少。

二、注射成型技術

注射成型工藝的統一流程是將粉末與粘接劑按一定比例混煉均勻，按照一定速度注入模腔內獲得坯體，生坯經過脫脂，高溫燒結得到致密的陶瓷產品。該技術具有周期短、成品致密均勻、可批量生產、操作靈活等優點，但其成品有機含量較高，需脫脂，從而易開裂，難以致密。

壓電陶瓷粉末注射成型各階段示意圖

目前，對注射成型制備壓電陶瓷的研究主要集中在鉛基壓電復合材料及壓電陣列方面，但這并不意味著采用注射成型制備無鉛壓電陶瓷不具有可行性，相反隨著這項技術的發展，還有望實現無鉛壓電陶瓷的大規模生產。

三、凝膠注模成型技術

凝膠注模成型法是繼注漿成型、注射成型之后發展起來的又一種凈尺寸成型工藝，它巧妙地結合了高分子聚合物化學和流變學原理，具體操作是在高固相含量（體積分數≥50%）、低粘度（＜1Pa·s）的陶瓷漿料中摻入低濃度的有機單體，再加入引發劑并澆注，漿料中的有機單體在一定條件下會發生原位聚合反應，形成堅固的交聯網狀結構，使漿料立即原位凝固，從而使陶瓷坯體原位定形，最后經過脫模、干燥、排膠（去除有機物）、燒結后得到所需的陶瓷產品。

采用凝膠注模成型制備具有復雜形狀的陶瓷零部件

利用這項技術制備壓電陶瓷，穩定、高固相含量、低粘度的漿料是注凝成型工藝的關鍵。高固相含量可使坯體干燥收縮率減小，坯體不易變形；低粘度可以保證懸浮體在注模過程中充滿模具的每個角落，同時懸浮體中包裹的氣體也容易排除。穩定的漿料確保了坯體呈現均勻微觀結構，同時也能確保最終產品具備良好的性能。

該技術的優點是均勻性好、坯體強度高、操作簡單、便于機械加工、可制備大型復雜結構壓電陶瓷 ；但具有自動化程度低、難干燥的缺點。

小結

隨著社會科技進步，復雜結構壓電陶瓷的成型工藝越來越多樣化，且在朝著快速成型的方向發展。各種復雜結構的壓電陶瓷的成型工藝都有一定的局限性。比如在漿料制備過程中一般都會加入粘結劑、分散劑等有機物，造成脫脂時間長、變形、降低密度和強度等不足，因此，未來復雜結構陶瓷成型工藝要在滿足成型要求的情況下，降低有機物的含量以達到更佳性能。除此之外，還可采用摻雜改性、織構、復合材料等工藝提高陶瓷壓電性能。

參考資料：

1.劉凱,孫策,史玉升等.增材制造壓電陶瓷的現狀與展望.無機材料學；

2.曾文竹,陳燕,袁懋誕等.復雜結構壓電陶瓷制備工藝綜述.中國陶瓷；

3.晏伯武.PZT壓電陶瓷凝膠注模成型的研究.儀器儀表學報；

4.劉春林,秦帥,吳盾等.水溶性脫脂粉末注射成型制備PLZT壓電陶瓷及其壓電性能.硅酸鹽學報；

5.謝睿. 精細結構PZT陶瓷陣列的新型凝膠注模成型研究.中南大學.

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