古时候，人们常常通过塑造神话形象来解释一些无法理解的自然现象。例如，雷公是司掌雷鸣之神，法器是锲锤，可以击打出隆隆的雷声；电母是司掌闪电之神，法器是两面神镜，可以发射出耀眼的电光。近现代，我们通过科学认识到雷声和电光同生于放电现象，雷声源于空气击穿引起的冲击波，属于“机械能”；而电光源于正负电荷冲撞产生的电火花，属于“电能”。由此来看，雷公的法器可以产生机械能，电母的法器可以释放电能。

那么，是否存在机械能与电能相互转换的“法器”呢？当然存在，这种“法器”被科学界称作“压电陶瓷”。压电陶瓷可以将机械能转化成电能（正压电效应），如压电陶瓷打火机；还可以将电能转化成机械能（逆压电效应），如口罩机上使用的超声波换能器压电陶瓷环。

超声波焊接用压电陶瓷环

1  压电陶瓷的结构属性

法器的神奇之处往往在于其拥有独特的结构。作为机械能与电能相互转换的法器，压电陶瓷具备神奇的结构属性：自发极化。普通的介质陶瓷，只有在外电场作用下才能极化。而压电陶瓷无需借助外电场，仅仅依靠本身的铁电体结构，就能自发极化。不过，压电陶瓷的自发极化与温度有关：在居里温度Tc以上，晶体处于顺电态，不能自发极化；在居里温度Tc以下，晶体处于铁电态，能够自发极化。

压电陶瓷基本都是铁电体：当温度低于居里温度Tc时，晶体中晶胞的离子发生位移，造成正负电荷中心不重合，进而产生固有电偶极矩；相邻晶胞产生同样的连锁反应，扩展成为铁电体的基本单元——电畴。注意，产生自发极化的条件是：离子位移后固定在新位置上的力大于位移后的恢复力。

压电陶瓷材料分类

2  压电陶瓷的“激活”方式

《西游记》中，孙悟空头上戴的紧箍是一件很有灵性的法器，只要唐僧的咒语一起，紧箍便被“激活”，而孙猴子就得受罪了。事实上，压电陶瓷的灵性也需要被“激活”，只是并非咒语，而是强直流电场。

压电陶瓷虽然具备自发极化的独特结构，但作为多晶体，内部电畴的排列方向杂乱无章，极化效应相互抵消，导致宏观不呈现压电效应。极化是压电陶瓷的“激活”方式。所谓极化，就是在压电陶瓷上施加一个强直流电场，使陶瓷内的电畴沿电场方向取向排列；在电场去除后，陶瓷内仍能保留相当的剩余极化强度，也就具备了压电性能。

压电陶瓷的“极化”

极化状态可以用电滞回线来描述：压电陶瓷的极化强度随电场强度的增大而增大，在C点达到饱和；若逐渐减小电场强度，极化强度将沿另一条曲线减小，当电场强度降为0时，极化强度保留在Pr点，即剩余极化强度。

电滞回线

3  压电陶瓷的应用

压电陶瓷的应用大致可以划分为两大类：压电换能器与压电振子。具体见下表。

压电陶瓷的应用

超声探伤仪

压电振荡器

粉体圈 作者 王京