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压电陶瓷的诞生

1880年，诺贝尔奖获得者P.Curie和J.Curie兄弟发现，在天然石英晶体的特定方向上施加应力会使晶体表面产生电荷，电荷的产生与晶体的方向密切相关且大小与应力呈正比，这就是材料的“正压电效应”。

1881年，居里兄弟发现电场可以使压电材料产生形变，这种效应被称为"逆压电效应"。

正压电效应与逆压电效应原理图

正压电效应的微观本质是应力下材料内电偶极矩发生了方向和大小的变化，同时材料表面感应生成等量电荷以抵消电偶极矩的改变。压电效应具有可逆性，逆压电效应是压电材料内电偶极矩在外加电场下产生拉伸或压缩，宏观上表现为通过外加电场产生的电致伸缩现象。正逆压电效应均是电能和机械能的耦合转换过程。

20世纪40年代，科学家发现在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向，除去电场后仍能保持一定的剩余极化，使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。

随后，利用压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件，这些应用研究带来压电陶瓷的工业化应用和普及。

压电陶瓷与超精密技术

21世纪人类科技进入高速发展阶段。我国高新科技的三大巨头变成纳米科技、信息科技和生物科技。随着高新技术的不断发展，在航空航天、精密级无损检测、超精密加工、生物医学及高精密医疗器械等方面，对材料的分辨率、精确度、刚度和动态响应的要求越来越高。

随着现代技术不断成熟，压电材料被制作成传感器、驱动器等，用于精密超精密领域，实现物体微小形变的测量、应力测量、纳米定位及无损检测等。

每种压电材料的优缺点及应用场景不同。压电陶瓷多晶体压电性强，机电耦合系数高，加工时对其外形没有要求，可以做成任意形状，且在价格上优势大，可大批量生产，而且可以进行深加工，与其他功能器件结合，满足不同领域的使用要求，因此被广泛应用在各种需要进行超精密加工的现代科学技术和日常生活中。

压电陶瓷在精密/超精密领域的应用

目前，压电陶瓷的应用领域大概分为3类：压电换能器、压电驱动器和压电传感器。压电换能器的作用是实现不同能量形式间的转换，一般是将机械振动转换为电能，还可实现超声振动能和电能间的转换。压电驱动器是利用逆压电效应，将电能转换为机械能，能够实现机械运动。压电传感器则是利用压电效应，将测量元件的任何应变进行信号输出。

压电陶瓷的应用领域

1、压电陶瓷在无损探伤领域应用

无损检测技术是指在不损伤被检对象的前提下，利用声、光、电、磁等技术检测被检对象是否存在缺陷或不均匀现象，并且能够给出缺陷的大小、位置、性质和数量。

常用的超声波检测、射线检测、机器视觉检测、涡流检测及振动检测等无损检测方法对于混凝土损伤检测和木结构损伤检测都还停留在初级阶段，无法对内部损伤进行定位和描述，并且传感器价格昂贵。

压电陶瓷则具有使用灵活、价格便宜等特点，可以实现对混凝土损伤检测和木结构损伤的定位和智能检测。

2、压电陶瓷在微位移和三维表面测量领域应用

在微位移领域压电陶瓷主要应用在超精密进给系统中，原理如下图所示。微位移测量工具选用电感测微仪，精度0.01μm，量程0～10μm，工作台刚度200N/μm，位移行程27.6μm。在压电陶瓷加载电压和压电陶瓷放电过程中，会产生动态位移，压电陶瓷的位移会驱动工作台产生进给运动，同时位移传感器产生位移反馈给控制系统形成闭环控制。将电感测微仪与计算机进行数据通信，利用Matlab或者LabVIEW实现对测量平台的运动控制。

进给系统原理框图

在三维表面测量领域使用的方法主要有机械探针法、光学探针法、扫描探针法和相移干涉法，从下表的对比结果可以看出，相移干涉法效果最好。

3、压电陶瓷在压电俘能领域应用

压电俘能器是利用压电振子本身的谐振特性和压电材料的压电效应原理，将环境中的太阳能、振动能、噪声能等转换为电能。此原理在压电陶瓷超声电机中也有应用。目前，压电俘能技术主要应用在路面压电发电方面，将车辆行驶产生的机械能转换为电能。

压电俘能装置模型

在压电材料选取方面，最常用的是锆钛酸铅（PZT）。但文献的研究表明，在高频周期载荷作用下，PZT极易产生疲劳裂纹，发生脆性断裂。因此PZT在压电俘能系统中不能承受过大应力，可以采用压电聚合体聚偏氟乙烯（PVDF），研究表明，PVDF具有高韧性、长寿命及高效率等优点。

4、压电陶瓷在微定位领域应用

驱动器是微定位平台的核心装置，它可以用来驱动微定位平台。压电陶瓷驱动器是建立在逆压电效应基础上的，然后基于其原理制作的一种应用广泛的驱动器。压电陶瓷的分辨率可以达到纳米级甚至高一个数量级单位，并可以沿着指定方向直线运动。压电陶瓷驱动器被广泛应用于高定位精度和快速定位场合，具有输出力大、体积小、快速响应、刚度高等诸多优点。

5、压电陶瓷在微小形变和应力测量领域应用

在微小形变和应力测量领域主要应用压电传感器元件，将压电陶瓷特性应用于力的测量，以及最终变换为力的非电物理量的测量。

在微小形变方面，传统测量方法有游标卡尺、光杠杆等，但满足不了精密超精密领域的需求，因此利用智能材料压电陶瓷和传感器来实现对精密超精密材料微小形变测量是当前重要的研究方向。

小结

总体来说，压电陶瓷在精密超精密领域的研究越来越多，在当今世界科研领域有很大的发展前景，尤其在制造业、半导体行业等高新技术产业有深远的影响。在未来的研究中，可以结合压电陶瓷在上述各种领域中的应用原理和方法进行优选和改进。

参考来源：

[1]邵逸飞等.压电陶瓷在精密超精密领域的应用及发展

[2]王逸勐.使用压电陶瓷制作仿生精密定位装置

[3]翟康佳等.锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）俘能效率实验研究

[4]陈庭辉.基于压电陶瓷驱动的精密微定位平台设计与优化

[5]从1880年，透过历史看压电陶瓷技术的发展！.徕卡测量系统

（中国粉体网编辑整理/山川）

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