古時(shí)候，人們常常通過塑造神話形象來解釋一些無法理解的自然現(xiàn)象。例如，雷公是司掌雷鳴之神，法器是鍥錘，可以擊打出隆隆的雷聲；電母是司掌閃電之神，法器是兩面神鏡，可以發(fā)射出耀眼的電光。近現(xiàn)代，我們通過科學(xué)認(rèn)識(shí)到雷聲和電光同生于放電現(xiàn)象，雷聲源于空氣擊穿引起的沖擊波，屬于“機(jī)械能”；而電光源于正負(fù)電荷沖撞產(chǎn)生的電火花，屬于“電能”。由此來看，雷公的法器可以產(chǎn)生機(jī)械能，電母的法器可以釋放電能。

那么，是否存在機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的“法器”呢？當(dāng)然存在，這種“法器”被科學(xué)界稱作“壓電陶瓷”。壓電陶瓷可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能（正壓電效應(yīng)），如壓電陶瓷打火機(jī)；還可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能（逆壓電效應(yīng)），如口罩機(jī)上使用的超聲波換能器壓電陶瓷環(huán)。

超聲波焊接用壓電陶瓷環(huán)

1  壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)屬性

法器的神奇之處往往在于其擁有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。作為機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的法器，壓電陶瓷具備神奇的結(jié)構(gòu)屬性：自發(fā)極化。普通的介質(zhì)陶瓷，只有在外電場作用下才能極化。而壓電陶瓷無需借助外電場，僅僅依靠本身的鐵電體結(jié)構(gòu)，就能自發(fā)極化。不過，壓電陶瓷的自發(fā)極化與溫度有關(guān)：在居里溫度Tc以上，晶體處于順電態(tài)，不能自發(fā)極化；在居里溫度Tc以下，晶體處于鐵電態(tài)，能夠自發(fā)極化。

壓電陶瓷基本都是鐵電體：當(dāng)溫度低于居里溫度Tc時(shí)，晶體中晶胞的離子發(fā)生位移，造成正負(fù)電荷中心不重合，進(jìn)而產(chǎn)生固有電偶極矩；相鄰晶胞產(chǎn)生同樣的連鎖反應(yīng)，擴(kuò)展成為鐵電體的基本單元——電疇。注意，產(chǎn)生自發(fā)極化的條件是：離子位移后固定在新位置上的力大于位移后的恢復(fù)力。

壓電陶瓷材料分類

2  壓電陶瓷的“激活”方式

《西游記》中，孫悟空頭上戴的緊箍是一件很有靈性的法器，只要唐僧的咒語一起，緊箍便被“激活”，而孫猴子就得受罪了。事實(shí)上，壓電陶瓷的靈性也需要被“激活”，只是并非咒語，而是強(qiáng)直流電場。

壓電陶瓷雖然具備自發(fā)極化的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，但作為多晶體，內(nèi)部電疇的排列方向雜亂無章，極化效應(yīng)相互抵消，導(dǎo)致宏觀不呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。極化是壓電陶瓷的“激活”方式。所謂極化，就是在壓電陶瓷上施加一個(gè)強(qiáng)直流電場，使陶瓷內(nèi)的電疇沿電場方向取向排列；在電場去除后，陶瓷內(nèi)仍能保留相當(dāng)?shù)氖Ｓ鄻O化強(qiáng)度，也就具備了壓電性能。

壓電陶瓷的“極化”

極化狀態(tài)可以用電滯回線來描述：壓電陶瓷的極化強(qiáng)度隨電場強(qiáng)度的增大而增大，在C點(diǎn)達(dá)到飽和；若逐漸減小電場強(qiáng)度，極化強(qiáng)度將沿另一條曲線減小，當(dāng)電場強(qiáng)度降為0時(shí)，極化強(qiáng)度保留在Pr點(diǎn)，即剩余極化強(qiáng)度。

電滯回線

3  壓電陶瓷的應(yīng)用

壓電陶瓷的應(yīng)用大致可以劃分為兩大類：壓電換能器與壓電振子。具體見下表。

壓電陶瓷的應(yīng)用

超聲探傷儀

壓電振蕩器

粉體圈 作者 王京