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智能压电材料 —— 机械能与电能互相转换 压电材料的前世今生
在这外卖琳琅满目的时代，你是否放缓自己的脚步，在家为自己或家人烧过一顿美味可口的饭菜呢？来到厨房，你会熟练的按压燃气灶手柄、扭转、点火，一顿带着满满爱意的晚餐很快就能上桌。你是否想过为何手柄的扭转能打出火花，点燃燃气呢？其实，这就是利用压电材料的点火过程。
压电是什么？压电，源自希腊语 piezein，意为挤压或按压。当然，这里的挤压不是挤压葡萄来酿酒，而是挤压晶体来产生电流。这就可以解释为何按压并转动燃气灶的手柄（旋钮）可点燃燃气了。因为按压转动的过程会带动弹簧作用，撞击压电陶瓷端面，从而使机械能转换为电能，产生上万伏的瞬间高压，打出电火花，并将从喷嘴喷出的燃气点燃。那么，压电效应是如何产生的呢？压电材料又具有什么样的性质呢？
图1 皮埃尔·居里和玛丽·居里在实验室；石英晶体。
有关压电效应，可以追溯到100多年前的一块无色透明的石英晶体上。1880年，法国物理学家皮埃尔·居里和雅克·居里发现，这种由机械能转化成电能的过程他们称之为压电效应，具有该效应的材料称之为压电体。
1881年，居里兄弟又通过实验验证了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变，从而由电能转换成机械能。随后的岁月长河里，压电材料得到了飞速发展。第一次世界大战，压电技术被用于声纳等实际应用，第二次世界大战进一步推进了这项技术。
在现代社会中，压电材料作为机电转换的功能材料，在高新领域扮演着重要的角色。例如，利用压电材料制作的压电传感器广泛的应用于压电滤波器、微位移器、驱动器和传感器等电子器件中，在卫星广播、电子设备、生物医学以及航空航天等高新技术领域都有着重要的地位。
随着电子工业的快速发展，压电材料逐步出现复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微型化等趋势，性能优良的智能压电材料成为本世纪最重要的新材料之一。
压电材料的工作机理压电材料作为能将机械能与电能互相转换的一类智能材料，同时具有压电效应和逆压电效应。材料要具有压电性能，与其晶体结构的对称性密切相关。沃伊特指出，介质具有压电性的必要条件是其晶体结构不具有对称中心。
在这里，我们需要了解一个概念，何为对称中心？把一个图形绕着某一个点旋转180°，如果它能够与另一个图形重合，那么这两个图形是关于这个点对称的，这个点叫做对称中心。晶体共有32个点群，也就是按对称性可分为32类，其中20类是非对称中心的，它们可能具有压电效应。但是，无对称中心只是产生压电效应的必要条件，而不是充分条件。因此，实际上这20类非对称中心的晶体中只有少部分具有压电性。
压电材料的机电转换原理是由于非中心对称的晶体在机械力的作用下发生形变而引起带电粒子的相对位移，从而使得晶体的总电矩发生改变而造成的。压电效应是机械压力迫使晶体内的电荷失去平衡。过多的正负电荷出现在晶面的两侧。逆压电效应是将电能施加到晶体上，使晶体的结构收缩和膨胀。随着晶体结构的膨胀和收缩，它转换接收到的电能并以声波的形式释放机械能。
图2 (a)具有对称中心的晶体；(b)非对称中心的晶体
图3 压电效应和逆压电效应示意图
压电材料对电场的响应几乎是瞬时的，当这种材料被放置在交流电场中时，对兆赫兹电场的响应发生在微秒内。我们可以通过举例来感受一下压电材料的变形，锆钛酸铅压电材料在施加外部电场时只会改变其原始尺寸的0.1％。虽然它是一个小变化，肉眼无法观察到，但它是一种线性效应，非常适合像在扫描隧道显微镜中那样以亚微米或纳米级精度定位探针。
一般来说，压电材料应具备以下几个主要特性：转换特性，要求具有较高的压电常数；机械性能，机械强度高、刚度大；电性能，高电阻率和高介电常数，防止加载驱动电场时被击穿；环境适应性，温度和湿度稳定性好，要求具有较高的居里点，工作温度范围宽；时间稳定性，要求压电性能不随时间变化，增强压电材料工作稳定性和寿命。描述晶体材料的弹性、压电、介电性质的重要参数，如介电常数、弹性系数和压电常数等，决定了压电材料的基本性能。描述交变电场中压电材料介电行为的介质损耗角正切，描述弹性谐振时的力学性能的机械品质因数及描述谐振时的机械能与电能相互转换的机电耦合系数等，决定了压电材料的具体应用方向。在压电材料的研究及实际应用中，以上参数都极为重要。
智能压电材料的分类压电材料主要可分为无机压电材料和有机压电材料。无机压电材料包括压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性的滤波器以及高频、高温超声换能器等。
图4 压电晶体和压电陶瓷
压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的畴和自发极化方向互相垂直的畴组成，这些电畴在人工极化条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。
有机压电材料又称压电聚合物，如聚偏氟乙烯（薄膜）及以它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。
复合压电材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。
智能压电材料的广泛应用压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。
换能器上的应用，换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。对压电聚合物电声器件的研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。
驱动器上的运用，压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照P(VDF-TrFE)共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。
传感器上的应用，压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预加载荷，整个组件装在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，壳体和基座的重量差不多占传感器重量的一半。
测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压），当加速度频率远低于传感器的固有频率时，传感器给输出电压与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大器中加进适当的积分电路，就可以测试试件的振动速度或位移。
超声成像检测，超声检查已在医学诊断中占据重要地位。超声波，超出人耳所能听到的声音，可用于查看身体内部的情况。妇科医生使用超声检查来观察未出生婴儿在子宫内的发育情况，心脏病专家使用这种技术检测泄漏的心脏瓣膜或确定血管中的流速。超声检查通常使用一个小巧、方便的设备，该设备在人体皮肤上移动以查看身体内部的情况，因此这种非侵入性技术无痛且易于使用。
回声设备将频率在兆赫兹范围内的声波发送到必须检查的身体部位。这种超声波具有穿透液体和身体软组织的能力。在软组织和硬组织之间的界面，例如器官的边缘，这些超声波在一定程度上被反射，提供有关身体内部部位的空间信息。然后，这种反射或“回声”被设备捕获并使用成像软件在监视器上可视化。发射和接收声波之间的时间跨度是到反射身体组织的距离的特征，因为人体内的声速是已知的。由于身体组织的特性之间的差异通常很小，因此设备的接收部分必须非常敏感。在回声装置内，压电换能器通过将高频交流电压转换为声音来产生超声波。传感器接收返回的声波并将它们转换成电信号，以便进一步处理成图像。实际上，在紧凑型回声设备中，发送和接收发生在相同的组件中，其中返回的声波在发射声波之间的“中断”中被接收。
机器人上的应用，机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。
超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。
利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。
智能压电材料的发展与前景随着环境保护和社会可持续发展的要求，发展环境协调性材料及技术已是公认的大势所趋。为了防止环境污染，国内外科研人员对无铅压电材料开展了大量的研究工作并取得了令人鼓舞的进展。另一方面，由于晶体生长周期长、价格成本昂贵，加之受热稳定性的影响。因此，制作价格适当、性能更好的、大尺寸单晶仍然是今后努力的主要方向。此外，研究还表明，织构化是多晶材料获取高性能的另一个重要手段。利用模板晶粒生长或掺杂晶种的多晶织构化生长技术，在原本无规则的多晶的进行定向排列生长，形成织构化的微观结构，获得单晶的物理性能，在某一方向上获得强的压电性能，这方面的研究已有不少，尤其是在无铅压电材料和高温压电材料上。
此外，传统的压电体材料及其工艺受尺寸的限制，难以适应现代电子器件微型化、小型化、集成化发展方向的要求。随着微观世界探索进程的加速，微机电系统飞速发展，迫切要求压电材料实现薄膜化，从而为相应微器件的设计和制作研究创造条件。作为微机电系统MEMS用驱动源的压电薄膜，不仅要求工作电压低、重量轻、体积小、成本低、容易与半导体工艺兼容，而且还需要驱动器单位体积的输出力足够大，传感器的噪声小。研究表明，能胜任的只有微米级厚度的膜及多层膜，因此，近些年来1～10 µm以至更厚的压电薄膜是国内外研究的热点和重要发展方向。
最后，压电材料的发展要与其他学科或技术的发展密切相关，应加大学科交叉性和相互渗透性研究，特别是在微机电系统技术是一个典型的多学科交叉的前沿性领域，几乎涉及自然及工程科学的所有领域，因此，要注意和利用相邻学科技术的新进展，加强各学科之间以及学科与工艺之间相互作用和渗透，有效拓展其创新性研究。
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