图4 压电材料的晶体结构
4.1 压电单晶体
石英晶体性能稳定，机械强度高，绝缘性能好，但价格昂贵，压电系数比压电陶瓷低得多，因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。石英晶体制作的谐振器具有极高的品质因数和极高的稳定性，以被用于对讲机、电子手表、电视机、电子仪器等产品中作压腔振荡器使用。
图5 石英晶体的压电模型
此外，水溶性压电晶体如酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸钾等也是常见的单晶压电材料。将多晶体压电陶瓷（如钛酸铅）单晶化以提高材料的压电性能是目前的压电材料的研究热点之一。
4.2 多晶体压电陶瓷
多晶体压电陶瓷是指把氧化物混合，经高温烧结后，具有压电效应、可以实现机械能和电能相互转换的一类功能陶瓷材料。目前市场上常见的多晶体压电陶瓷为锆钛酸铅（PZT）系压电材料。压电材料的研究热点主要有：（1）低温烧结PZT陶瓷；（2）大功率高转换效率的PZT压电陶瓷；（3）压电复合材料；（4）无铅压电陶瓷；（5）单晶化。
图6 压电陶瓷的发展历史
最早发现的多晶压电陶瓷钛酸钡(BaTiO3, BT)具有高介电性，因此很快用于制作电容器，现在作为高频电路元件的钛酸钡电容器已大量生产。钛酸钡不溶于水，可在较高温度下工作，压电性能强，可以用简单的陶瓷工艺制成压电陶瓷材料，便于大批量生产。因此，钛酸钡广泛的应用于制作声纳装置的振子和各种声学测量装置以及滤波器。BT的谐频温度特性差，加入Pb和Ca后可以改进BT的温度特性，但在锆钛酸铅（Pb（Zr, Ti）O3，PZT）广泛使用的今天，仅用于制作部分压电换能器。
锆钛酸铅（PZT）为钛酸铅（PbTiO3）和锆酸铅（PbZrO3）形成的固溶体。由于具有较强且稳定的压电性能、居里温度高、各向异性大、介电常数小，因此成为目前市场上使用最为广泛的压电材料，是压电换能器的主要功能材料。在锆钛酸铅中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最为广泛的压电材料，大部分压电或电致伸缩器件中使用的材料都是含铅压电材料，PZT基陶瓷致动器的市场占有率高达98%。
铅类化合物的毒性威胁人类健康、破坏生态环境，因此无铅压电陶瓷材料成为主要的研究热点。但由于其压电性能偏低且不稳定，工艺复杂难以控制，极大的限制了无铅压电材料在器件中的应用，市场上无铅压电材料占比极少。典型的无铅压电体系有KNN-BNT，KNN-BT，BNT-BT，BKT-BT，BNT-BT-KNN及BNT-BKT等。据报道，无铅压电材料有望在10年之内进入市场应用[2]。
4.3 高分子压电材料
聚偏氟乙烯（PVDF）为典型的高分子压电材料，其结构由微晶区分散于非晶区构成。非晶区的玻璃化转变温度决定聚合物的机械性能，而微晶区的熔融温度决定了材料的使用上限温度。在一定温度和外电场作用下，晶体内部的偶极矩旋转定向，形成垂直于薄膜平面的碳-氟偶极矩固定结构，这种属于极化使得材料具有压电特性[3]。
图7 PVDF晶区与非晶区排布形态示意图
与压电陶瓷和压电晶体相比，压电聚合物具有高的强度和耐冲击性、显著的低介电常数、柔性、低密度、对电压的高度敏感性、低声阻抗和机械阻抗、较高的介电击穿电压，在技术应用领域和器件中占有独特的地位。
PVDF压电高聚物薄膜压电性强、柔性好，特别是其声阻抗与空气、水和生物组织很接近，特别适用于制作液体、生物体及气体的换能器。
4.4 聚合物-压电陶瓷复合材料
压电复合材料是由两相或多相材料复合而成的，通常为压电陶瓷（PZT）和聚合物（PVDF或环氧树脂）组成的复合材料[4]。这类复合材料中的陶瓷相将电能和机械能相互转换，而聚合物基体则使应力在陶瓷与周围介质之间进行传递[5]。这种材料兼有压电陶瓷和聚合物材料的优点，与传统的压电陶瓷或与压电单晶相比，它具有更好的柔顺性和机械加工性能，易于加工成型，且密度小、声速低。与聚合物压电相比，其压电常数和机电耦合系数较高，因此灵敏度较高。此外，压电复合材料与磁致伸缩材料组成的复合材料还具有磁电效应。
参考文献
[1] 许煜寰. 铁电与压电材料[M]. 北京: 科学出版社. 1978, 4-15.
[2] Jurgen Rodel et al. Transferring lead-free piezoelectric ceramics into application [J]. Journal of the European Ceramic Society 35 (2015) 1659-1681.
[3] 胡南, 刘雪宁, 杨治中. 聚合物压电智能材料研究新进展[J]. 高分子通报, 2004, 5: 75-81.
[4] 阎瑾瑜. 压电效应及其在材料方面的应用[J]. 数字技术与应用, 2011, 1: 100-101.
[5] 郭栋, 李龙土, 桂治轮. 陶瓷聚合物压电复合材料的最新进展[J]. 高分子材料科学与工程, 2001, 17(6): 44-47.
