压电性是指材料在受挤压或拉伸时可以产生电荷，或在材料两端施加电压后使材料伸长或缩短的特性。压电材料因外部作用发生形变时会产生电力，从而能够将机械能转化成电能。人类利用压电材料的历史可以追溯很远，例如，击打燧石（石英）获取火花就是一个利用材料压电效应的原始案例。

当燧石与铁器相互撞击很容易就会产生火花

压电材料不仅像马达那样可直接将电力转换成驱动力，还可以用电产生声波、超声波等。压电效应自发现以来，在电子、超声、通信、引爆等许多技术领域均得到广泛的应用。

压电材料有哪些？

2020年压电陶瓷材料由于口罩超声焊及呼吸机的换能器走进了大众的视野，但压电陶瓷并非唯一的压电材料哦，根据材料体系不同可以将压电材料大致分为压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶）、有机高分子压电材料和半导体压电材料等等，下文将对其进行简要介绍。

①压电晶体（单晶）

压电晶体是较早的压电效应应用的材料，主要有石英晶体（SiO₂）、水溶性压电晶体（酒石酸钾钠）以及铌酸锂晶体，压电单晶体的性能稳定，造价高昂，一般用于标准仪器或精度要求较高的传感器。

Tokyo Denpa人工石英晶体

②压电陶瓷（多晶）

压电陶瓷是人工制作的多晶体，压电陶瓷的发现和应用时间并不长，最早发现具有压电性能的陶瓷材料为钛酸钡是在1947年。在短短的几十年里，压电陶瓷材料由于制作工艺简单、耐潮湿、耐高温等优点，发展极为迅速，应用日益广泛。从日常生活用的压电式电子打火机到压电扬声器，乃至飞船、导弹中的振动测量传感器，都要用到压电陶瓷材料。压电陶瓷的压电常数为石英晶体的几倍，灵敏度高，在检测技术、电子技术和超声领域中应用很普遍。

TDK压电粉体液位传感器结构示意图

按其组成基本元素多少可对压电陶瓷分为以下几类，①二元系压电陶瓷：主要包括钛酸钡BaTiO₃，钛酸铅PbTiO₃，锆钛酸铅系列PbTiO₃-PbZrO₃(PZT)和铌酸盐系列KNbO₃PbNb₂O₃。其中以钛酸钡，尤其以锆钛酸铅系列压电陶瓷应用最广。②三元系压电陶瓷：目前应用的PMN，它由铌镁酸铅Pb(Mg_1/2Nb_2/3)O₃-钛酸铅PbTiO₃-锆钛酸铅PbZrO₃三成分配比而成。另外还有专门制造耐高温、高压和电击穿性能的铌锰酸铅系、镁碲酸铅等。③四元系压电陶瓷：四元系压电陶瓷综合性能更为优越。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅(PZT系列)，它是钛酸钡(BaTiO₃)和锆酸铅(PbZrO₃)组成的Pb(ZrTi)O₃。它有较高的压电系数和较高的工作温度。铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它是由铌镁酸铅(Pb(MgNb)O₃)、锆酸铅(PbZrO₃)和钛酸铅（(PbTiO₃）按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷，具有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。

③有机高分子压电材料

高分子压电材料大致可分为两类：一类是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性，称为高分子压电薄膜，如聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯(PVDF）、聚氨酯等。它的独特优点是质轻柔软、抗拉强度高、蠕变小、耐冲击、击穿强度为150～200kV/mm，可以大量生产和制成较大的面积。因此，在一些特殊用途的传感器中获得广泛的应用。

压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜（压电薄膜）

另一类是高分子化合物中掺杂PZT压电陶瓷粉体或BaTiO₃粉末制成的高分子压电薄膜，这种复合材料保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电常数和机电耦合常数。

此外还有一类是硫化锌(ZnS)、碲化镉(CeTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)等这些既具有压电特性又具有半导体特性的材料。他们既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。

参考资料：

1、压电材料及压电效应的应用，沈阳化工大学能源与动力工程学院，宋海龙，汪勇，李昊东，金丹等著。

2、科普中国，压电材料：那些你意想不到的发电方式。

3、传感器原理与应用技术，宋强，张烨，王瑞等著。

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