壓電性是指材料在受擠壓或拉伸時可以產(chǎn)生電荷，或在材料兩端施加電壓后使材料伸長或縮短的特性。壓電材料因外部作用發(fā)生形變時會產(chǎn)生電力，從而能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。人類利用壓電材料的歷史可以追溯很遠(yuǎn)，例如，擊打燧石（石英）獲取火花就是一個利用材料壓電效應(yīng)的原始案例。

當(dāng)燧石與鐵器相互撞擊很容易就會產(chǎn)生火花

壓電材料不僅像馬達(dá)那樣可直接將電力轉(zhuǎn)換成驅(qū)動力，還可以用電產(chǎn)生聲波、超聲波等。壓電效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來，在電子、超聲、通信、引爆等許多技術(shù)領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。

壓電材料有哪些？

2020年壓電陶瓷材料由于口罩超聲焊及呼吸機(jī)的換能器走進(jìn)了大眾的視野，但壓電陶瓷并非唯一的壓電材料哦，根據(jù)材料體系不同可以將壓電材料大致分為壓電晶體（單晶）、壓電陶瓷（多晶）、有機(jī)高分子壓電材料和半導(dǎo)體壓電材料等等，下文將對其進(jìn)行簡要介紹。

①壓電晶體（單晶）

壓電晶體是較早的壓電效應(yīng)應(yīng)用的材料，主要有石英晶體（SiO₂）、水溶性壓電晶體（酒石酸鉀鈉）以及鈮酸鋰晶體，壓電單晶體的性能穩(wěn)定，造價高昂，一般用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或精度要求較高的傳感器。

Tokyo Denpa人工石英晶體

②壓電陶瓷（多晶）

壓電陶瓷是人工制作的多晶體，壓電陶瓷的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用時間并不長，最早發(fā)現(xiàn)具有壓電性能的陶瓷材料為鈦酸鋇是在1947年。在短短的幾十年里，壓電陶瓷材料由于制作工藝簡單、耐潮濕、耐高溫等優(yōu)點，發(fā)展極為迅速，應(yīng)用日益廣泛。從日常生活用的壓電式電子打火機(jī)到壓電揚聲器，乃至飛船、導(dǎo)彈中的振動測量傳感器，都要用到壓電陶瓷材料。壓電陶瓷的壓電常數(shù)為石英晶體的幾倍，靈敏度高，在檢測技術(shù)、電子技術(shù)和超聲領(lǐng)域中應(yīng)用很普遍。

TDK壓電粉體液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

按其組成基本元素多少可對壓電陶瓷分為以下幾類，①二元系壓電陶瓷：主要包括鈦酸鋇BaTiO₃，鈦酸鉛PbTiO₃，鋯鈦酸鉛系列PbTiO₃-PbZrO₃(PZT)和鈮酸鹽系列KNbO₃PbNb₂O₃。其中以鈦酸鋇，尤其以鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷應(yīng)用最廣。②三元系壓電陶瓷：目前應(yīng)用的PMN，它由鈮鎂酸鉛Pb(Mg_1/2Nb_2/3)O₃-鈦酸鉛PbTiO₃-鋯鈦酸鉛PbZrO₃三成分配比而成。另外還有專門制造耐高溫、高壓和電擊穿性能的鈮錳酸鉛系、鎂碲酸鉛等。③四元系壓電陶瓷：四元系壓電陶瓷綜合性能更為優(yōu)越。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛(PZT系列)，它是鈦酸鋇(BaTiO₃)和鋯酸鉛(PbZrO₃)組成的Pb(ZrTi)O₃。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。鈮鎂酸鉛是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。它是由鈮鎂酸鉛(Pb(MgNb)O₃)、鋯酸鉛(PbZrO₃)和鈦酸鉛（(PbTiO₃）按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷，具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較高的壓力。

③有機(jī)高分子壓電材料

高分子壓電材料大致可分為兩類：一類是某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性，稱為高分子壓電薄膜，如聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯(PVDF）、聚氨酯等。它的獨特優(yōu)點是質(zhì)輕柔軟、抗拉強(qiáng)度高、蠕變小、耐沖擊、擊穿強(qiáng)度為150～200kV/mm，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。因此，在一些特殊用途的傳感器中獲得廣泛的應(yīng)用。

壓電聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（壓電薄膜）

另一類是高分子化合物中摻雜PZT壓電陶瓷粉體或BaTiO₃粉末制成的高分子壓電薄膜，這種復(fù)合材料保持了高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合常數(shù)。

此外還有一類是硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CeTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)等這些既具有壓電特性又具有半導(dǎo)體特性的材料。他們既可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導(dǎo)體特性制作電子器件；也可以兩者合一，集元件與線路于一體，研制成新型集成壓電傳感器測試系統(tǒng)。

參考資料：

1、壓電材料及壓電效應(yīng)的應(yīng)用，沈陽化工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，宋海龍，汪勇，李昊東，金丹等著。

2、科普中國，壓電材料：那些你意想不到的發(fā)電方式。

3、傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)，宋強(qiáng)，張燁，王瑞等著。

粉體圈 編輯Alpha