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壓電陶瓷的誕生

1880年,，諾貝爾獎獲得者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力會使晶體表面產生電荷,，電荷的產生與晶體的方向密切相關且大小與應力呈正比,，這就是材料的“正壓電效應”。

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

正壓電效應與逆壓電效應原理圖

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

20世紀40年代,，科學家發(fā)現(xiàn)在鈦酸鋇鐵電陶瓷上施加直流高壓電場,，使其自發(fā)極化沿電場方向擇優(yōu)取向，除去電場后仍能保持一定的剩余極化,，使它具有壓電效應,，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,，這些應用研究帶來壓電陶瓷的工業(yè)化應用和普及,。

壓電陶瓷與超精密技術

21世紀人類科技進入高速發(fā)展階段。我國高新科技的三大巨頭變成納米科技、信息科技和生物科技,。隨著高新技術的不斷發(fā)展,，在航空航天、精密級無損檢測,、超精密加工,、生物醫(yī)學及高精密醫(yī)療器械等方面，對材料的分辨率,、精確度,、剛度和動態(tài)響應的要求越來越高。

隨著現(xiàn)代技術不斷成熟,，壓電材料被制作成傳感器,、驅動器等，用于精密超精密領域,，實現(xiàn)物體微小形變的測量,、應力測量、納米定位及無損檢測等,。

每種壓電材料的優(yōu)缺點及應用場景不同,。壓電陶瓷多晶體壓電性強，機電耦合系數(shù)高,，加工時對其外形沒有要求,，可以做成任意形狀，且在價格上優(yōu)勢大,，可大批量生產,，而且可以進行深加工，與其他功能器件結合,，滿足不同領域的使用要求,，因此被廣泛應用在各種需要進行超精密加工的現(xiàn)代科學技術和日常生活中。

壓電陶瓷在精密/超精密領域的應用

目前,，壓電陶瓷的應用領域大概分為3類：壓電換能器,、壓電驅動器和壓電傳感器。壓電換能器的作用是實現(xiàn)不同能量形式間的轉換,，一般是將機械振動轉換為電能,，還可實現(xiàn)超聲振動能和電能間的轉換。壓電驅動器是利用逆壓電效應,，將電能轉換為機械能,，能夠實現(xiàn)機械運動。壓電傳感器則是利用壓電效應,，將測量元件的任何應變進行信號輸出,。

壓電陶瓷的應用領域

1、壓電陶瓷在無損探傷領域應用

無損檢測技術是指在不損傷被檢對象的前提下，利用聲,、光,、電、磁等技術檢測被檢對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、性質和數(shù)量,。

常用的超聲波檢測,、射線檢測、機器視覺檢測,、渦流檢測及振動檢測等無損檢測方法對于混凝土損傷檢測和木結構損傷檢測都還停留在初級階段,，無法對內部損傷進行定位和描述，并且傳感器價格昂貴,。

壓電陶瓷則具有使用靈活,、價格便宜等特點，可以實現(xiàn)對混凝土損傷檢測和木結構損傷的定位和智能檢測,。

2,、壓電陶瓷在微位移和三維表面測量領域應用

在微位移領域壓電陶瓷主要應用在超精密進給系統(tǒng)中，原理如下圖所示,。微位移測量工具選用電感測微儀,，精度0.01μm，量程0～10μm,，工作臺剛度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,，會產生動態(tài)位移,，壓電陶瓷的位移會驅動工作臺產生進給運動，同時位移傳感器產生位移反饋給控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制,。將電感測微儀與計算機進行數(shù)據通信,，利用Matlab或者LabVIEW實現(xiàn)對測量平臺的運動控制。

進給系統(tǒng)原理框圖

在三維表面測量領域使用的方法主要有機械探針法,、光學探針法,、掃描探針法和相移干涉法，從下表的對比結果可以看出,，相移干涉法效果最好,。

3,、壓電陶瓷在壓電俘能領域應用

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原理,，將環(huán)境中的太陽能、振動能、噪聲能等轉換為電能,。此原理在壓電陶瓷超聲電機中也有應用,。目前，壓電俘能技術主要應用在路面壓電發(fā)電方面,，將車輛行駛產生的機械能轉換為電能,。

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）,。但文獻的研究表明,，在高頻周期載荷作用下，PZT極易產生疲勞裂紋,，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、長壽命及高效率等優(yōu)點,。

4,、壓電陶瓷在微定位領域應用

驅動器是微定位平臺的核心裝置，它可以用來驅動微定位平臺,。壓電陶瓷驅動器是建立在逆壓電效應基礎上的,，然后基于其原理制作的一種應用廣泛的驅動器。壓電陶瓷的分辨率可以達到納米級甚至高一個數(shù)量級單位,，并可以沿著指定方向直線運動,。壓電陶瓷驅動器被廣泛應用于高定位精度和快速定位場合，具有輸出力大,、體積小,、快速響應、剛度高等諸多優(yōu)點,。

5,、壓電陶瓷在微小形變和應力測量領域應用

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

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

小結

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

參考來源：

[1]邵逸飛等.壓電陶瓷在精密超精密領域的應用及發(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）俘能效率實驗研究

[4]陳庭輝.基于壓電陶瓷驅動的精密微定位平臺設計與優(yōu)化

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

（中國粉體網編輯整理/山川）

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