压电陶瓷是一种能将机械能和电能相互转换的功能陶瓷，在谐振器、传感器、超声换能器、驱动器、滤波器、电子点火器等方面有着广泛的应用。锆钛酸铅（Pb(Zr1-xTiO3)，PZT）陶瓷具有优良的压电、介电性能。由于其稳定性好，精度高，能量转换效率高，响应速度快，机械品质因子、压电系数、机电耦合常数明显优于无铅压电陶瓷，被广泛应用于压电传感及驱动领域，如超声换能器等，对结构健康检测、能量采集等领域具有重大意义。

1 PZT压电陶瓷的发展历程

1942年人们发现了BaTiO3的压电性，由于其介电常数较高，很快获得应用发展，至今仍用于制作声呐装置的振子和声学计测装置以及滤波器等，但因存在频率温度稳定性欠佳等问题。

1954年美国的研究人员发现锆钛酸铅（PZT）陶瓷具有良好的压电性能，其机电耦合系数近于BaTiO3的一倍。在之后的30年间，PZT以其强又稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，该种材料的出现使得压电器件从传统的换能器及滤波器扩展到引燃引爆装置、电压变压器及压电发电装置等。如果把BaTiO3作为单元系压电陶瓷的代表，那么PZT可作为二元系压电陶瓷的代表。PZT压电陶瓷由于它的性能参数多样性、振动模式的研究与开发利用以及器件制作技术的进步等因素，促使它在近十年来发展甚为迅速，应用日趋广泛。

2 PZT压电陶瓷的制备流程

（1）坯体制备

采用干压成型的方式制备坯件，干压成型前应先将粉料造粒，即在粉料中加入占料中约5%的黏合剂，搅拌均匀并过筛，再进行预压块，最后将预压块研碎并过细筛。造粒的目的不仅使黏合剂更加均匀地分布在粉料中，而且由于颗粒本身已经压紧，压料中空气又少，并较易排出，因此利于成型，成型样品密度更加均匀。

（2）瓷件烧结和机械加工

干压成型后的坯件，需要通过高温烧结才能成瓷。烧结是颗粒重排靠近，使材料致密化以及晶粒生长的过程，过高的烧结温度使陶瓷晶粒生长过大或组织结构不均匀，而烧结温度过低则会导致晶粒发育不完全，这些都会导致PZT压电陶瓷元件的压电性能受到影响。

（3）上电极

PZT压电陶瓷元件两级间需要有金属电极才能导电，发挥压电性。传统的上电极方法有很多种，如烧渗银层、真空蒸镀、化学沉银和化学沉铜等。

（4）极化

PZT压电陶瓷元件上电极后，需要经过极化才能显示压电效应。要使压电陶瓷得到完善的极化，充分发挥其压电性能就必须合理地选择极化条件，即极化电场、极化温度和极化时间。只有在极化电场作用下，电畴才能沿电场方向取向排列，极化电场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越完善。

3 PZT压电陶瓷的应用

近年来，PZT压电陶瓷在包括但不限于以下几个方面得到了应用：

（1）高位移新型压电制动器

自从发明压电制动器特别是多层压电制动器以来，其应用日益扩大，特别是精密定位方面。现在多层压电制动器在国外已经大量地应用于汽车的燃料注入系统的悬置系统。

（2）压电变压器

压电变压器从50年代就已开始研制，但是直到90年代才进入商品化。压电陶瓷变压器体积小，质量轻，可以做成扁平形状，它实际上没有电磁噪声，只产生有限的热，而转换率高达95%，所以90年代随着薄形电源以及高频（大于2MHz）开关电源对压电变压器迫切要求，对压电变压器的研制又重新活跃起来。现在已研制成多层压电变压器，最大功率已超过50W，并且已大量地应用在笔记本式计算机液晶显示器的背光电源以及复印机和传真机的高压电源。

（3）用于主动减震和降噪的压电器件

许多机械结构往往会发生振动，由此又常常会引发噪声，对运动结构的减振降噪控制（如运行的机械、潜艇壳体、航空航天飞行器以及舱内），具有重要的意义。特别是大型精密的航空航天的挠性结构，一般质量轻、阻尼小，一旦发生振动，其衰减过程十分缓慢；长期如此便会影响到结构运行的精度，甚至会引发结构疲劳、失稳等现象，因此对挠性结构的减振研究是十分必要的。传统的被动减振降噪方法是通过增加质量、阻尼、刚度、或者是通过结构的重新设计而改变系统的特性。压电材料自身具有的正反压电效应，使其成为挠性结构主动分布控制中检测器与执行器的理想材料。

（4）医用微型压电陶瓷超声波传感器

美国密苏里-罗拉大学陶瓷工程系的一位教授研制出一种微型电压陶瓷传感器，它比人的头发还要细小，可以将它用来帮助医生探测病人的心脏附近，如冠状动脉，具有潜在致命危险的胆固醇的累计情况，使用时，将这种十分细小的传感器插入动脉血管并通过微细光缆输送到心脏部位，用来诊断有生命危险的胆固醇堵塞部位的位置和厚度，为在血管内采用激光外科手术将其清除铺平道路。