压电陶瓷是电子陶瓷的重要分支，是一种能将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，由于具有正逆压电效应（即机械能和电能之间能够互相转换），在压电传感器、驱动器、超声换能器、压电蜂鸣器和滤波器等器件中得到了广泛的应用。目前压电陶瓷大多是用锆钛酸铅 (PZT)、铌镁酸铅等固溶体制成的，这类材料具有很大的脆性，结构简单的片状压电陶瓷可用干压法、等静压法、轧膜法、流延法等成型方法制备，但随着器件性能要求和实际应用需求的不断提高，压电陶瓷的结构设计越来越复杂和精密，常规的成型方法无法满足这些需求，因此如何制备复杂结构的压电陶瓷成为了当前研究人员的广泛关注的话题。

压电陶瓷的原理和制备流程

压电陶瓷的压电效应是基于陶瓷晶体的电荷分布差异以及电极的导电作用产生的，陶瓷晶体在自然状态下具有电性中性，但当对压电陶瓷施加机械应力或压力时，晶体结构会发生略微的畸变，导致正负电荷分布不再平衡，产生电场，最后电极有效地收集压电效应产生的电荷，以供外部电路使用。可以说，陶瓷晶体和电极是压电陶瓷中最关键的两个组成部分，其制备也包括了陶瓷胚体的制备、烧结、上电极和极化4个步骤。

压电效应原理

1、胚体制备：

胚体的制备首先需要合适的原料，目前压电陶瓷体系主要包括锆钛酸铅（PZT）体系以及钛酸钡基（BTO）、钛酸铋钠基（NBT）、铌酸钾钠基（KNN）等无铅体系，其中每种体系内的配比可根据实际需求灵活调整。原料配比完成后将其制成均匀的浆料，再利用不同的成型方法将浆料制成所需形状的陶瓷胚体。

2、烧结

烧结是颗粒重排靠近，使材料致密化以及晶粒生长的过程，过高的烧结温度使陶瓷晶粒生长过大或组织结构不均匀，而烧结温度过低则会导致晶粒发育不完全，这都会导致压电陶瓷元件的压电性能和机械性能受到影响。

3、上电极

上电极就是在压电陶瓷的表面上设置导电电极，使用的材料主要为Cu、Ag、 Ni 、Au等。使用的工艺方法为烧渗、化学沉积、真空镀膜等。

4、极化

陶瓷内部的各晶粒虽然存在自发极化，具有铁电性，但是其自发极化电畴的取向是完全随机的，宏观上并不具有极化强度，因此压电陶瓷元件上电极后，还需要经过极化才能显示压电效应。在高压直流电场作用下电畴沿电场方向定向排列，而且在电场去除后，这种定向状态大部分能够被保留下来，使陶瓷呈现压电效应。

极化前后电铸取向对比

复杂结构的压电陶瓷制备方法

复杂结构的压电陶瓷在多维度运动和集成场景中（如柔性机器人和夹持装置等）发挥着关键作用，它具备多方向的压电效应，能够实现高精度的位置控制和高动态力控制。同时，由于复杂结构的压电陶瓷在厚度、电场或机械应力方面具有非均匀分布的特点，并且可以集成包括声学、机械、电学和光学等多种功能，在一些特殊场景如声学透镜、波导和谐振腔等都存在广阔的应用前景。另外，在一些需要适应曲面或贴合的应用中，例如身体传感器、生物医学设备和可穿戴技术，具有复杂结构的压电陶瓷也被广泛采用。

柔性机器人、声学透镜、人体传感器

与简单结构的压电陶瓷相比，具有复杂结构的压电陶瓷在制备过程中最大的挑战莫过于胚体制备环节的成型阶段，传统的干压成型、等静压成型、流延成型等只适合用于制备结构相对简单的压电陶瓷，但近年来技术的进步，一些新的成型工艺也在制备复杂结构的压电陶瓷方面也得到了成功应用，其中包括无模成型（增材制造）技术、凝胶注模成型、注射成型等成型工艺。

一、无模成型技术

压电陶瓷无模成型技术（增材制造）是目前市场上精度较高的成型工艺，主要利用三维建模后逐层堆积或固化材料来构建物体，具有成型效率高、无需模具等优点, 可满足个性化、整体化、复杂化制造需求。

1、直写成型技术（DIW）

直写成型技术是一种基于材料挤出成型的增材制造技术, 打印过程中配置好的陶瓷浆料通过直写喷头挤出，并逐层沉积形成胚体。该方法对加工环境要求不高，设备也相对简单，喷头通常是由气体或机械装置驱动的针管，无需激光、加热、紫外线等外在条件，因此具有低成本、高固含量、高致密度等优点，有利于制备具有大跨度、悬垂结构的压电陶瓷，是制备压电陶瓷应用最为广泛的一种增材制造技术。但由于 DIW 无法实现支撑设计, 故所用浆料应具有良好的粘弹性, 以便在喷嘴的剪切作用下形成连续长丝，维持完整的结构形状。

墨水直写成型 PZT 陶瓷烧结件照片

2.喷墨打印成型技术（LJP）

喷墨打印成型技术选择性地将陶瓷墨水逐层喷射到载体上，每层墨水速干成型。其中最为关键的步骤是陶瓷墨水的制备，即将陶瓷粉末，粘结剂以及其他有机添加物混合配制。陶瓷墨水要求具有合适的黏度、表面张力、导电率、较高的固含量和较快的干燥速率。该技术具有低成本、工艺简单的特点。但仅适用于制备小型压电陶瓷构件, 同时与DIW技术一样无法设计支撑结构, 限制了其可打印构件的复杂性及结构可控性。

3.光固化技术

光固化成型技术的原理是将陶瓷粉料加入可固化的光敏树脂，部分UV扫描固化。按照紫外线扫描点成像和面成像可分为立体微光刻技术(SLA)和数字光处理技术(DLP)。其中，DLP是后发展起来的，其浆料的固化发生在上一成型层与料缸底部间的极小区域, 避免了SLA中刮刀重涂带动高粘度浆料产生的剪切力破坏成型件, 也能更精确地控制切片高度。但受到成型缸尺寸限制, 目前还无法制备大尺寸压电陶瓷构件。

光固化成型技术的优点在于生产周期短、原型表面质量优良、可实现自动化生产等，但也存在易翘曲变形、成本较高且光敏树脂有微毒的缺点。 

数字光处理成型压电陶瓷照片及其压电复合材料

4.熔化沉积技术（FDM）

熔化沉积成型技术的原材料一般是热塑性树脂和陶瓷粉体的混合物。其工艺流程是将原材料在略高于熔点的环境温度下熔化成流体状, 接着在计算机控制下逐步挤出并沉积到下方的载体上, 进而逐层叠加成型，获得生坯，其精度为毫米级。

熔化沉积型梯度压电陶瓷截面照片

熔化沉积成型技术具有制作过程简单，成本降低，设计灵活且设备维护简单的优点。但由于陶瓷材料熔点高, 无法直接通过 FDM 工艺成型, 常将陶瓷颗粒混入热塑性材料中制成丝材进行打印，应用材料具有局限性，目前采用 FDM 工艺制备压电陶瓷的研究较少。

二、注射成型技术

注射成型工艺的统一流程是将粉末与粘接剂按一定比例混炼均匀，按照一定速度注入模腔内获得坯体，生坯经过脱脂，高温烧结得到致密的陶瓷产品。该技术具有周期短、成品致密均匀、可批量生产、操作灵活等优点，但其成品有机含量较高，需脱脂，从而易开裂，难以致密。

压电陶瓷粉末注射成型各阶段示意图

目前，对注射成型制备压电陶瓷的研究主要集中在铅基压电复合材料及压电阵列方面，但这并不意味着采用注射成型制备无铅压电陶瓷不具有可行性，相反随着这项技术的发展，还有望实现无铅压电陶瓷的大规模生产。

三、凝胶注模成型技术

凝胶注模成型法是继注浆成型、注射成型之后发展起来的又一种净尺寸成型工艺，它巧妙地结合了高分子聚合物化学和流变学原理，具体操作是在高固相含量（体积分数≥50%）、低粘度（＜1Pa·s）的陶瓷浆料中掺入低浓度的有机单体，再加入引发剂并浇注，浆料中的有机单体在一定条件下会发生原位聚合反应，形成坚固的交联网状结构，使浆料立即原位凝固，从而使陶瓷坯体原位定形，最后经过脱模、干燥、排胶（去除有机物）、烧结后得到所需的陶瓷产品。

采用凝胶注模成型制备具有复杂形状的陶瓷零部件

利用这项技术制备压电陶瓷，稳定、高固相含量、低粘度的浆料是注凝成型工艺的关键。高固相含量可使坯体干燥收缩率减小，坯体不易变形；低粘度可以保证悬浮体在注模过程中充满模具的每个角落，同时悬浮体中包裹的气体也容易排除。稳定的浆料确保了坯体呈现均匀微观结构，同时也能确保最终产品具备良好的性能。

该技术的优点是均匀性好、坯体强度高、操作简单、便于机械加工、可制备大型复杂结构压电陶瓷 ；但具有自动化程度低、难干燥的缺点。

小结

随着社会科技进步，复杂结构压电陶瓷的成型工艺越来越多样化，且在朝着快速成型的方向发展。各种复杂结构的压电陶瓷的成型工艺都有一定的局限性。比如在浆料制备过程中一般都会加入粘结剂、分散剂等有机物，造成脱脂时间长、变形、降低密度和强度等不足，因此，未来复杂结构陶瓷成型工艺要在满足成型要求的情况下，降低有机物的含量以达到更佳性能。除此之外，还可采用掺杂改性、织构、复合材料等工艺提高陶瓷压电性能。

参考资料：

1.刘凯,孙策,史玉升等.增材制造压电陶瓷的现状与展望.无机材料学；

2.曾文竹,陈燕,袁懋诞等.复杂结构压电陶瓷制备工艺综述.中国陶瓷；

3.晏伯武.PZT压电陶瓷凝胶注模成型的研究.仪器仪表学报；

4.刘春林,秦帅,吴盾等.水溶性脱脂粉末注射成型制备PLZT压电陶瓷及其压电性能.硅酸盐学报；

5.谢睿. 精细结构PZT陶瓷阵列的新型凝胶注模成型研究.中南大学.

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