古時候，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，可以發射出耀眼的電光。近現代，我們通過科學認識到雷聲和電光同生于放電現象，雷聲源于空氣擊穿引起的沖擊波，屬于“機械能”；而電光源于正負電荷沖撞產生的電火花，屬于“電能”。由此來看，雷公的法器可以產生機械能，電母的法器可以釋放電能。

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

超聲波焊接用壓電陶瓷環

1  壓電陶瓷的結構屬性

法器的神奇之處往往在于其擁有獨特的結構。作為機械能與電能相互轉換的法器，壓電陶瓷具備神奇的結構屬性：自發極化。普通的介質陶瓷，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構，就能自發極化。不過，壓電陶瓷的自發極化與溫度有關：在居里溫度Tc以上，晶體處于順電態，不能自發極化；在居里溫度Tc以下，晶體處于鐵電態，能夠自發極化。

壓電陶瓷基本都是鐵電體：當溫度低于居里溫度Tc時，晶體中晶胞的離子發生位移，造成正負電荷中心不重合，進而產生固有電偶極矩；相鄰晶胞產生同樣的連鎖反應，擴展成為鐵電體的基本單元——電疇。注意，產生自發極化的條件是：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。事實上，壓電陶瓷的靈性也需要被“激活”，只是并非咒語，而是強直流電場。

壓電陶瓷雖然具備自發極化的獨特結構，但作為多晶體，內部電疇的排列方向雜亂無章，極化效應相互抵消，導致宏觀不呈現壓電效應。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強直流電場，使陶瓷內的電疇沿電場方向取向排列；在電場去除后，陶瓷內仍能保留相當的剩余極化強度，也就具備了壓電性能。

壓電陶瓷的“極化”

極化狀態可以用電滯回線來描述：壓電陶瓷的極化強度隨電場強度的增大而增大，在C點達到飽和；若逐漸減小電場強度，極化強度將沿另一條曲線減小，當電場強度降為0時，極化強度保留在Pr點，即剩余極化強度。

電滯回線

3  壓電陶瓷的應用

壓電陶瓷的應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。

壓電陶瓷的應用

超聲探傷儀

壓電振蕩器

粉體圈 作者 王京