美日垄断的高性能压电陶瓷，工厂制造如何在压电领域冲出技术重围

1917年，法国人Paul Langevin和他的同事开发了超声波潜艇探测器，基于声纳中使用压电性材料的成功，使人们对压电器件产生了浓厚的兴趣。在接下来的几十年中，科学家对这些新型压电材料和新应用进行了探索和开发。用来测量流体和固体中的粘度和弹性的超声换能器的开发，从而在材料研究方面取得了巨大的进步。用来检测铸造金属和石材内部的缺陷超声波反射计（其通过材料发送超声波脉冲并测量不连续性的反射），从而提高结构件的安全性能。二战结束后，美国，俄罗斯和日本的独立研究小组发现了一类新的合成材料，其表现出比天然材料高出多倍的压电常数，称为铁电体，人们开始着手研究具有特定应用特性的钛酸钡和锆钛酸铅材料。

所谓压电效应，就是晶体受到外力作用时，会产生电极化效果，并能通过测量手段检测出电极化的程度。这种现象在许多天然的结晶材料中是可以观察到的，包括石英，罗谢尔盐甚至人骨骼。工程材料，如铌酸锂和锆钛酸铅(PZT），表现出较为显著的压电效应。拉伸或压缩晶体产生的应变和应力，这取决于电场的方向，材料中优选的极化方向，以及晶体与晶体之间相邻结构。

在单晶中，所有偶极子的极轴位于一个方向。在多晶体中，在材料内不同的区域具有不同的极轴。它是不对称的。压电陶瓷元件具有多晶结构，它是由许多个微晶单元（域）构成的，而每个微晶单元又由多个晶胞组成。这些铁电体陶瓷的晶胞具有钙钛矿晶体结构， 这种结构通常可以用下图 来表示。

为了产生压电效应，多晶体需要在强电场的作用下被加热。热能的作用，可以使极化轴更容易转向。烧结后，陶瓷体内部即（由方向一致的偶极构成的晶胞）呈现出无规律的排列分布（随机分布），从微观上看材料是各向同性的，没有压电特性。没有外电场作用的情况下，极化轴如下图所示。是无序排布的状态。在有外电场作用下，极化轴排列如下图所示，是有序的。

压电特性必须要经过“极化”才能产生，在这个过程中，陶瓷体被置于强直流电场中，从而使内部电偶极按照电场方向趋于一致，即使电场取消后，陶瓷也可以继续保持一致的极性（残留极性） ---- 这是铁电体陶瓷具有压电特性的必要条件。下图充分的展示出了压电效应，显示的是原始状态的压电材料，没有外加应力作用，也没有显示电荷。 如果材料拉伸，将出现相反极性的电压。

反之，如果给予外加电场力作用，陶瓷材料也会相应的发生变形。如下图所示。反之，具有相同极性的电压将导致材料被压缩， 如果施加了交流信号，则材料将以与信号相同的频率振动。

美日垄断的高性能压电陶瓷