压电陶瓷
压电陶瓷(piezoelectric 陶艺)是一种可以将机械能和电能进行相互转换的陶瓷材料。这一特殊功能又被称为压电特性，与一般的陶瓷相比，压电陶瓷需要经过极化工艺才能具备压电特性。
压电陶瓷的诞生可以追溯到1942年，钛酸钡的发现（最早的压电陶瓷材料），钛酸压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。随着后面的发展，锆钛酸铅二元系、三元系等压电陶瓷材料相继被人们制作和应用。
压电陶瓷不仅兼备机械能-电能双向转换的优点，还具有灵敏度高，反应速度快，输出载荷大，成本低廉，性能优异等诸多优点。常用于各种声电设备、电力电压技术和滤波器等领域。
发展历史
1880年，压电效应最早被居里兄弟（J.Curie和P.Curie）发现。
1942到1945年间，美国的韦纳、前苏联的伍尔和戈德曼、日本的小川等发现钛酸钡()具有异常大的介电常数。
1946年，麻省理工学院得希普尔(Hipple)证实了是新得铁电体。同年，希普尔同一实验室的罗伯特(Robert)发现这种铁电陶瓷具有压电效应。钛酸钡压电陶瓷的发现是压电材料的一个飞跃。
1947年，第一个压电陶瓷器件——钛酸钡拾音器诞生了。
1952年，美国贾菲（B.Jaffe）等人发现了锆钛酸铅二元系压电陶瓷（PZT）固溶体系统。PZT因其优越的性能，很长一段时间内在压电陶瓷领域处于统治地位。压电陶瓷的发展也因此进入了新的阶段。
20世纪60年代以后，开始出现三元系压电陶瓷。由于其优异的工作特性，使其在许多方面得到了进一步的发展和应用。
结构和原理
压电陶瓷是一种可以将机械能和电能进行相互转换的陶瓷材料。这一特殊功能又被称为压电特性。压电特性只会发生在非中心对称的晶体结构中(如四方晶体、六方晶系等)，对于对称性很高的晶体结构(如立方晶系)，其内部无法形成电偶极矩，也就无法展现出压电特性。压电陶瓷中的压电效应来源于其微观构造在极化工艺后的改变。
极化前的结构
自发极化与电畴
压电陶瓷是由许多晶粒形成的多晶材料，晶粒大小各异且杂乱排布，每个晶粒又是由周期性排列的晶胞构成。
对于对称性低的晶胞(如四方晶系)，会由于正负电荷中心的偏离，产生电极化，形成偶极矩，称为自发极化。为了使体系能量最低，邻近的晶胞的自发极化会趋向一致，形成自发极化相同的小块区域，称为电畴，相邻的电畴之间会形成电畴壁。
宏观电极性
虽然电畴带有电极性，但一方面由于不同的晶粒取向不同，另一方面相邻的电畴取向也是随机的，使得宏观上，电畴附有的电极性会相互抵消，压电陶瓷对外不呈现极性。
极化后的结构
电畴运动
当外部施加高直流电场，整个压电陶瓷的内部的自发极化方向会趋于一致，电畴也会在电场作用下运动，方向趋向和电场相同的方向，这时压电陶瓷便具有极性。另外，电畴发生运动的一大特点就是，压电陶瓷会沿着电场方向产生形变。
剩余极化强度
极化工艺后，虽然压电陶瓷没有外加电场，但内部会由于极化时的电畴运动仍然存在一定的极化强度，称为剩余极化强度。
剩余极化强度是压电陶瓷表现出压电效应的基础，这是因为剩余极化产生的电偶极矩作用，会在压电陶瓷表面吸附自由电荷，而压电陶瓷可以通过外部作用力改变内部的电偶极矩，从而改变吸附电荷量，形成压电效应。
压电陶瓷的压电效应
正压电效应
当压电陶瓷外部受力，沿着剩余极化方向被压缩，会导致剩余极化表现出的偶极矩减小，压电陶瓷原来吸附的自由电荷部分被释放(或者吸附异号电荷)，对外表现出放电，这一特性就是正压电效应。并且偶极矩的减小量与施加的力成正比，也就表现为施加的力与压电陶瓷对外放电量成正比。
逆压电效应
当压电陶瓷外部施加电场时(方向与极化方向一致)，会使得极化强度增大，电畴进一步运动，进而使得压电陶瓷沿电场方向形变增加，这种将电能转换为机械能的特性称为逆压电效应。并且压电陶瓷的形变量与外加电场强度成正比。
温度对压电陶瓷的影响
压电陶瓷之所以具备压电特性的一个基本出发点就是，压电陶瓷内部的晶胞需要是可以形成自发极化的低对称性晶系(如四方晶系)的晶胞；对于无法高对称性晶系(如立方晶系)，由于无法产生自发极化，也就不具备压电特性。
而压电陶瓷的晶体结构并不是固定的，它会在一定的温度下发生改变，甚至从一种晶系变成另外一种晶系，在物理学上，这种改变被称作相变。
一般的压电陶瓷，通常会存在一个使其压电特性发生改变的相变温度点；如钙钛矿型压电陶瓷，它在室温下为四方晶系，磁性为铁电态，当温度超过某一温度时，其晶系将转变为立方晶系，磁性为顺电态，也就失去了压电特性。这一温度也被称为居里点，通常的压电陶瓷材料，只有在处于居里温度以下时，才存在压电特性。
性能特点
优点
相比传统(石英)单晶压电材料，压电陶瓷不仅具有压电系数高，介电常数高，居里点低，机械强度低，灵敏度高，反应迅速，输出载荷大的优势，而且压电陶瓷的特性还有较大的易于调控的性能参数的调节范围。
此外压电陶瓷在实际应用时还具备下面诸多优点：
缺点
性能参数
机械品质因数
机械品质因数是用来表示当压电片发生机械振动时，其内部能耗的大小。具有较高的机械质量因素，可减少能源损失。机械品质因数越大，内部能耗越小。
机电耦合系数
机电耦合系数K是表征压电陶瓷工作时，机械能与电能之间转换的能力的一个重要参数。
从能量守恒的角度，机电耦合系数K始终是一个小于1的值，K越大，压电陶瓷转换机械能和电能的能力越强。
弹性系数
基于逆压电效应，在交流电磁场的驱动下，压电材料将以电场相同的频率，不断产生伸缩形变，即形成了受迫振动。此时的压电陶瓷称为压电陶瓷振子。事实上，压电陶瓷元件在共振状态下发生的变形非常微小，通常被认为是一种弹性变形，可以用弹性系数来描述材料应力和应变间的关系。
压电常数
压电常数一般包括压电应变常数、压电应力常数、压电劲度常数、压电电压常数，()，第一个下标表示电学量的方向，第二个下标表示力学量的方向。它们通过压电方程，与应力T、应变S，电场E，电势移D等力学、电学参量耦合在一起。通常可以用于反应压电效应的强度。
压电应变常数
或者
或者
压电劲度常数
或者
压电电压常数
或者
常见压电陶瓷类型
常见的压电陶瓷分为钙钛矿型结构压电陶瓷，钨青铜型压电陶瓷以及含铋层状结构型压电陶瓷。下面的图3展示了常见压电陶瓷的分类。
钙钛矿型结构压电陶瓷
(1)钙钛矿型结构
钙钛矿型结构的晶体，常以化学通式ABO表示。通式中的A位和B位都是正离子，O为氧阴离子，也可以是F、Cl、S元素的负离子。许多重要的压电陶瓷均以钙钛矿型结构存在(居里点以下为四方晶系、居里温度以上为立方晶系)，也是应用最广泛的压电陶瓷。
(2)钛酸钡压电陶瓷
(3)锆钛酸铅二元系压电陶瓷
(4)复合钙钛矿系压电陶瓷(三元系压电陶瓷)
一般三元系压电陶瓷离子组合方式见下表。常见有、、等等。
钨青铜型压电陶瓷
(1)钨青铜结构
钨青铜结构的材料一般在居里点以下为非中心的晶系结构(受成分差异影响)，在居里温度以上为立方晶系。它来源于化合物。钨青铜结构的特征是存在着[]式氧八面体，其中B以、等离子为主，他们填充于氧八面体中心；另外氧八面体骨架会形成不同类型的空隙，这些空隙可以被其他正离子填充，按照空隙是否填满的状态可以分为非填满型钨青铜结构和完全填满型青铜结构。
(2)偏铌酸铅压电陶瓷
(3)偏铌酸铅钡压电陶瓷
(4)铌酸铅钡钠锂系压电陶瓷
含铋层状结构型压电陶瓷
制备工艺
流程概览
压电陶瓷的制备工艺与一般的陶瓷非常相近，一般的工艺流程如图5所示除了陶瓷所需的配料、球磨、过滤、排塑、烧结等工艺外，压电陶瓷还需要额外的上电极和极化工艺。
上电极
释义：上电极是指将一种高导电性、粘接强度高的银膜覆盖于已被烧制的陶瓷上，并将其用作电极。烧成的陶瓷在上电极之前通常还会对其表面进行粗细打磨、抛光等处理，目的为了去掉表面的凸出部分，同时可以使得电极和瓷体更加紧密地结合。
目的：一是利用电极作为传输电荷的载体，二是为极化工艺做准备。
极化
释义：极化是为了使压电陶瓷内部的电畴在电场作用下发生取向性变化，实现电畴由各向异性变为各向异性。
目的：是为了使得压电陶瓷中地铁电畴在外加电场作用下，沿电场方向定向排列，从各相同性转变为各向异性，显示处压电效应。
应用
用于点火
利用压电效应，当压电陶瓷受到外加压力时，压电陶瓷将产生高压，通过高压引线形成电火花，用于点火，常见设备如压电打火机等。
用于声电设备
水声换能器
水声换能器是压电陶瓷的一项重要应用，它利用压电陶瓷同时具备产生声音信号和接收声音信号的能力实现水下探测。要求具有高的驱动特性，高灵敏，和平坦的频率响应，各项参数的稳定性好。
超声波延迟线
超声波延迟线是利用压电陶瓷制作的声电换能器，它先能将电信号转换成超声振动，经过介质传输后再通过换能器转换为电信号，利用超声波在介质中传播比电信号传播慢得多的特点，从而达到信号延迟的目的。
其他声电设备
扬声器、送受话器、蜂鸣器、声级校准器、测虫拾音器，用于探测粮库中害虫活动声音。
用于电力技术
电压发生器
原理：利用压电陶瓷可以制作压电发生器，它是基于压电效应的一种机电能量转换器。利用碰撞、发射或专门的气体发生器的瞬时强压，施加在压电陶瓷，使其产生瞬时脉冲高压，用作引信的电源。
用途：一般用作破甲弹压电引信电源和引信第二辅助电源，还可以用作引信的环境传感器，如加速度传感器、冲击力传感器等。
压电变压器
原理：同一压电陶瓷，同时利用正压电效应和逆压电效应，实现从电能到机械能再到电能的转换，以此来达到升降压的功能。
优势：没有绕组结构，结构轻小；电压变比大、效率高、能量密度高；安全稳定、抗电磁干扰及噪声；没有燃烧、漏磁和电磁辐射污染等问题。
压电超声马达
原理：压电超声马达是利用压电陶瓷的逆压电效应的新型微电动机，在电流驱动下，压电陶瓷产生超声振动，通过谐振进行放大，通过摩力将振动部分的能量传递到驱动结构。
优势：该结构简单，重量轻，扭矩大，功耗低，响应速度快，具有很好的抗电磁辐射性能。
用于滤波器
压电陶瓷滤波器是利用压电陶瓷的谐振效应，将信号波段进行分割和选择性通过。