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壓電陶瓷的誕生
1880年，諾貝爾獎獲得者P.Curie和J.Curie兄弟發(fā)現(xiàn)，在天然石英晶體的特定方向上施加應(yīng)力會使晶體表面產(chǎn)生電荷，電荷的產(chǎn)生與晶體的方向密切相關(guān)且大小與應(yīng)力呈正比，這就是材料的“正壓電效應(yīng)”。
1881年，居里兄弟發(fā)現(xiàn)電場可以使壓電材料產(chǎn)生形變，這種效應(yīng)被稱為"逆壓電效應(yīng)"。
正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)原理圖
正壓電效應(yīng)的微觀本質(zhì)是應(yīng)力下材料內(nèi)電偶極矩發(fā)生了方向和大小的變化，同時材料表面感應(yīng)生成等量電荷以抵消電偶極矩的改變。壓電效應(yīng)具有可逆性，逆壓電效應(yīng)是壓電材料內(nèi)電偶極矩在外加電場下產(chǎn)生拉伸或壓縮，宏觀上表現(xiàn)為通過外加電場產(chǎn)生的電致伸縮現(xiàn)象。正逆壓電效應(yīng)均是電能和機械能的耦合轉(zhuǎn)換過程。
20世紀(jì)40年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在鈦酸鋇鐵電陶瓷上施加直流高壓電場，使其自發(fā)極化沿電場方向擇優(yōu)取向，除去電場后仍能保持一定的剩余極化，使它具有壓電效應(yīng)，從此誕生了壓電陶瓷。
隨后，利用壓電陶瓷制作超聲換能器、高頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器等各種壓電器件，這些應(yīng)用研究帶來壓電陶瓷的工業(yè)化應(yīng)用和普及。
壓電陶瓷與超精密技術(shù)
21世紀(jì)人類科技進入高速發(fā)展階段。我國高新科技的三大巨頭變成納米科技、信息科技和生物科技。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，在航空航天、精密級無損檢測、超精密加工、生物醫(yī)學(xué)及高精密醫(yī)療器械等方面，對材料的分辨率、精確度、剛度和動態(tài)響應(yīng)的要求越來越高。
隨著現(xiàn)代技術(shù)不斷成熟，壓電材料被制作成傳感器、驅(qū)動器等，用于精密超精密領(lǐng)域，實現(xiàn)物體微小形變的測量、應(yīng)力測量、納米定位及無損檢測等。
每種壓電材料的優(yōu)缺點及應(yīng)用場景不同。壓電陶瓷多晶體壓電性強，機電耦合系數(shù)高，加工時對其外形沒有要求，可以做成任意形狀，且在價格上優(yōu)勢大，可大批量生產(chǎn)，而且可以進行深加工，與其他功能器件結(jié)合，滿足不同領(lǐng)域的使用要求，因此被廣泛應(yīng)用在各種需要進行超精密加工的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和日常生活中。
壓電陶瓷在精密/超精密領(lǐng)域的應(yīng)用
目前，壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域大概分為3類：壓電換能器、壓電驅(qū)動器和壓電傳感器。壓電換能器的作用是實現(xiàn)不同能量形式間的轉(zhuǎn)換，一般是將機械振動轉(zhuǎn)換為電能，還可實現(xiàn)超聲振動能和電能間的轉(zhuǎn)換。壓電驅(qū)動器是利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，能夠?qū)崿F(xiàn)機械運動。壓電傳感器則是利用壓電效應(yīng)，將測量元件的任何應(yīng)變進行信號輸出。
壓電陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域
1、壓電陶瓷在無損探傷領(lǐng)域應(yīng)用
無損檢測技術(shù)是指在不損傷被檢對象的前提下，利用聲、光、電、磁等技術(shù)檢測被檢對象是否存在缺陷或不均勻現(xiàn)象，并且能夠給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量。
常用的超聲波檢測、射線檢測、機器視覺檢測、渦流檢測及振動檢測等無損檢測方法對于混凝土損傷檢測和木結(jié)構(gòu)損傷檢測都還停留在初級階段，無法對內(nèi)部損傷進行定位和描述，并且傳感器價格昂貴。
壓電陶瓷則具有使用靈活、價格便宜等特點，可以實現(xiàn)對混凝土損傷檢測和木結(jié)構(gòu)損傷的定位和智能檢測。
2、壓電陶瓷在微位移和三維表面測量領(lǐng)域應(yīng)用
在微位移領(lǐng)域壓電陶瓷主要應(yīng)用在超精密進給系統(tǒng)中，原理如下圖所示。微位移測量工具選用電感測微儀，精度0.01μm，量程0～10μm，工作臺剛度200N/μm，位移行程27.6μm。在壓電陶瓷加載電壓和壓電陶瓷放電過程中，會產(chǎn)生動態(tài)位移，壓電陶瓷的位移會驅(qū)動工作臺產(chǎn)生進給運動，同時位移傳感器產(chǎn)生位移反饋給控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制。將電感測微儀與計算機進行數(shù)據(jù)通信，利用Matlab或者LabVIEW實現(xiàn)對測量平臺的運動控制。
進給系統(tǒng)原理框圖
在三維表面測量領(lǐng)域使用的方法主要有機械探針法、光學(xué)探針法、掃描探針法和相移干涉法，從下表的對比結(jié)果可以看出，相移干涉法效果最好。
3、壓電陶瓷在壓電俘能領(lǐng)域應(yīng)用
壓電俘能器是利用壓電振子本身的諧振特性和壓電材料的壓電效應(yīng)原理，將環(huán)境中的太陽能、振動能、噪聲能等轉(zhuǎn)換為電能。此原理在壓電陶瓷超聲電機中也有應(yīng)用。目前，壓電俘能技術(shù)主要應(yīng)用在路面壓電發(fā)電方面，將車輛行駛產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能。
壓電俘能裝置模型
在壓電材料選取方面，最常用的是鋯鈦酸鉛（PZT）。但文獻的研究表明，在高頻周期載荷作用下，PZT極易產(chǎn)生疲勞裂紋，發(fā)生脆性斷裂。因此PZT在壓電俘能系統(tǒng)中不能承受過大應(yīng)力，可以采用壓電聚合體聚偏氟乙烯（PVDF），研究表明，PVDF具有高韌性、長壽命及高效率等優(yōu)點。
4、壓電陶瓷在微定位領(lǐng)域應(yīng)用
驅(qū)動器是微定位平臺的核心裝置，它可以用來驅(qū)動微定位平臺。壓電陶瓷驅(qū)動器是建立在逆壓電效應(yīng)基礎(chǔ)上的，然后基于其原理制作的一種應(yīng)用廣泛的驅(qū)動器。壓電陶瓷的分辨率可以達到納米級甚至高一個數(shù)量級單位，并可以沿著指定方向直線運動。壓電陶瓷驅(qū)動器被廣泛應(yīng)用于高定位精度和快速定位場合，具有輸出力大、體積小、快速響應(yīng)、剛度高等諸多優(yōu)點。
5、壓電陶瓷在微小形變和應(yīng)力測量領(lǐng)域應(yīng)用
在微小形變和應(yīng)力測量領(lǐng)域主要應(yīng)用壓電傳感器元件，將壓電陶瓷特性應(yīng)用于力的測量，以及最終變換為力的非電物理量的測量。
在微小形變方面，傳統(tǒng)測量方法有游標(biāo)卡尺、光杠桿等，但滿足不了精密超精密領(lǐng)域的需求，因此利用智能材料壓電陶瓷和傳感器來實現(xiàn)對精密超精密材料微小形變測量是當(dāng)前重要的研究方向。
小結(jié)
總體來說，壓電陶瓷在精密超精密領(lǐng)域的研究越來越多，在當(dāng)今世界科研領(lǐng)域有很大的發(fā)展前景，尤其在制造業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)有深遠的影響。在未來的研究中，可以結(jié)合壓電陶瓷在上述各種領(lǐng)域中的應(yīng)用原理和方法進行優(yōu)選和改進。
參考來源：
[1]邵逸飛等.壓電陶瓷在精密超精密領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展
[2]王逸勐.使用壓電陶瓷制作仿生精密定位裝置
[3]翟康佳等.鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）俘能效率實驗研究
[4]陳庭輝.基于壓電陶瓷驅(qū)動的精密微定位平臺設(shè)計與優(yōu)化
[5]從1880年，透過歷史看壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展！.徠卡測量系統(tǒng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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