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壓電陶瓷的誕生

1880年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者P.Curie和J.Curie兄弟發(fā)現(xiàn)，在天然石英晶體的特定方向上施加應(yīng)力會(huì)使晶體表面產(chǎn)生電荷，電荷的產(chǎn)生與晶體的方向密切相關(guān)且大小與應(yīng)力呈正比，這就是材料的“正壓電效應(yīng)”。

1881年，居里兄弟發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)可以使壓電材料產(chǎn)生形變，這種效應(yīng)被稱為"逆壓電效應(yīng)"。

正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)原理圖

正壓電效應(yīng)的微觀本質(zhì)是應(yīng)力下材料內(nèi)電偶極矩發(fā)生了方向和大小的變化，同時(shí)材料表面感應(yīng)生成等量電荷以抵消電偶極矩的改變。壓電效應(yīng)具有可逆性，逆壓電效應(yīng)是壓電材料內(nèi)電偶極矩在外加電場(chǎng)下產(chǎn)生拉伸或壓縮，宏觀上表現(xiàn)為通過外加電場(chǎng)產(chǎn)生的電致伸縮現(xiàn)象。正逆壓電效應(yīng)均是電能和機(jī)械能的耦合轉(zhuǎn)換過程。

20世紀(jì)40年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在鈦酸鋇鐵電陶瓷上施加直流高壓電場(chǎng)，使其自發(fā)極化沿電場(chǎng)方向擇優(yōu)取向，除去電場(chǎng)后仍能保持一定的剩余極化，使它具有壓電效應(yīng)，從此誕生了壓電陶瓷。

隨后，利用壓電陶瓷制作超聲換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器等各種壓電器件，這些應(yīng)用研究帶來壓電陶瓷的工業(yè)化應(yīng)用和普及。

壓電陶瓷與超精密技術(shù)

21世紀(jì)人類科技進(jìn)入高速發(fā)展階段。我國(guó)高新科技的三大巨頭變成納米科技、信息科技和生物科技。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，在航空航天、精密級(jí)無損檢測(cè)、超精密加工、生物醫(yī)學(xué)及高精密醫(yī)療器械等方面，對(duì)材料的分辨率、精確度、剛度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求越來越高。

隨著現(xiàn)代技術(shù)不斷成熟，壓電材料被制作成傳感器、驅(qū)動(dòng)器等，用于精密超精密領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)物體微小形變的測(cè)量、應(yīng)力測(cè)量、納米定位及無損檢測(cè)等。

每種壓電材料的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景不同。壓電陶瓷多晶體壓電性強(qiáng)，機(jī)電耦合系數(shù)高，加工時(shí)對(duì)其外形沒有要求，可以做成任意形狀，且在價(jià)格上優(yōu)勢(shì)大，可大批量生產(chǎn)，而且可以進(jìn)行深加工，與其他功能器件結(jié)合，滿足不同領(lǐng)域的使用要求，因此被廣泛應(yīng)用在各種需要進(jìn)行超精密加工的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和日常生活中。

壓電陶瓷在精密/超精密領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域大概分為3類：壓電換能器、壓電驅(qū)動(dòng)器和壓電傳感器。壓電換能器的作用是實(shí)現(xiàn)不同能量形式間的轉(zhuǎn)換，一般是將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能，還可實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)能和電能間的轉(zhuǎn)換。壓電驅(qū)動(dòng)器是利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。壓電傳感器則是利用壓電效應(yīng)，將測(cè)量元件的任何應(yīng)變進(jìn)行信號(hào)輸出。

壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域

1、壓電陶瓷在無損探傷領(lǐng)域應(yīng)用

無損檢測(cè)技術(shù)是指在不損傷被檢對(duì)象的前提下，利用聲、光、電、磁等技術(shù)檢測(cè)被檢對(duì)象是否存在缺陷或不均勻現(xiàn)象，并且能夠給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量。

常用的超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)、機(jī)器視覺檢測(cè)、渦流檢測(cè)及振動(dòng)檢測(cè)等無損檢測(cè)方法對(duì)于混凝土損傷檢測(cè)和木結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)都還停留在初級(jí)階段，無法對(duì)內(nèi)部損傷進(jìn)行定位和描述，并且傳感器價(jià)格昂貴。

壓電陶瓷則具有使用靈活、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土損傷檢測(cè)和木結(jié)構(gòu)損傷的定位和智能檢測(cè)。

2、壓電陶瓷在微位移和三維表面測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用

在微位移領(lǐng)域壓電陶瓷主要應(yīng)用在超精密進(jìn)給系統(tǒng)中，原理如下圖所示。微位移測(cè)量工具選用電感測(cè)微儀，精度0.01μm，量程0～10μm，工作臺(tái)剛度200N/μm，位移行程27.6μm。在壓電陶瓷加載電壓和壓電陶瓷放電過程中，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)位移，壓電陶瓷的位移會(huì)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)位移傳感器產(chǎn)生位移反饋給控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制。將電感測(cè)微儀與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，利用Matlab或者LabVIEW實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制。

進(jìn)給系統(tǒng)原理框圖

在三維表面測(cè)量領(lǐng)域使用的方法主要有機(jī)械探針法、光學(xué)探針法、掃描探針法和相移干涉法，從下表的對(duì)比結(jié)果可以看出，相移干涉法效果最好。

3、壓電陶瓷在壓電俘能領(lǐng)域應(yīng)用

壓電俘能器是利用壓電振子本身的諧振特性和壓電材料的壓電效應(yīng)原理，將環(huán)境中的太陽能、振動(dòng)能、噪聲能等轉(zhuǎn)換為電能。此原理在壓電陶瓷超聲電機(jī)中也有應(yīng)用。目前，壓電俘能技術(shù)主要應(yīng)用在路面壓電發(fā)電方面，將車輛行駛產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

壓電俘能裝置模型

在壓電材料選取方面，最常用的是鋯鈦酸鉛（PZT）。但文獻(xiàn)的研究表明，在高頻周期載荷作用下，PZT極易產(chǎn)生疲勞裂紋，發(fā)生脆性斷裂。因此PZT在壓電俘能系統(tǒng)中不能承受過大應(yīng)力，可以采用壓電聚合體聚偏氟乙烯（PVDF），研究表明，PVDF具有高韌性、長(zhǎng)壽命及高效率等優(yōu)點(diǎn)。

4、壓電陶瓷在微定位領(lǐng)域應(yīng)用

驅(qū)動(dòng)器是微定位平臺(tái)的核心裝置，它可以用來驅(qū)動(dòng)微定位平臺(tái)。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器是建立在逆壓電效應(yīng)基礎(chǔ)上的，然后基于其原理制作的一種應(yīng)用廣泛的驅(qū)動(dòng)器。壓電陶瓷的分辨率可以達(dá)到納米級(jí)甚至高一個(gè)數(shù)量級(jí)單位，并可以沿著指定方向直線運(yùn)動(dòng)。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器被廣泛應(yīng)用于高定位精度和快速定位場(chǎng)合，具有輸出力大、體積小、快速響應(yīng)、剛度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

5、壓電陶瓷在微小形變和應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用

在微小形變和應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域主要應(yīng)用壓電傳感器元件，將壓電陶瓷特性應(yīng)用于力的測(cè)量，以及最終變換為力的非電物理量的測(cè)量。

在微小形變方面，傳統(tǒng)測(cè)量方法有游標(biāo)卡尺、光杠桿等，但滿足不了精密超精密領(lǐng)域的需求，因此利用智能材料壓電陶瓷和傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)精密超精密材料微小形變測(cè)量是當(dāng)前重要的研究方向。

小結(jié)

總體來說，壓電陶瓷在精密超精密領(lǐng)域的研究越來越多，在當(dāng)今世界科研領(lǐng)域有很大的發(fā)展前景，尤其在制造業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)有深遠(yuǎn)的影響。在未來的研究中，可以結(jié)合壓電陶瓷在上述各種領(lǐng)域中的應(yīng)用原理和方法進(jìn)行優(yōu)選和改進(jìn)。

參考來源：

[1]邵逸飛等.壓電陶瓷在精密超精密領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展

[2]王逸勐.使用壓電陶瓷制作仿生精密定位裝置

[3]翟康佳等.鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）俘能效率實(shí)驗(yàn)研究

[4]陳庭輝.基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的精密微定位平臺(tái)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

[5]從1880年，透過歷史看壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展！.徠卡測(cè)量系統(tǒng)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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