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壓電陶瓷器件中的幾何結構設計與功能拓展

發(fā)布時間:

2025-10-16

壓電陶瓷因其可實現機械能與電能之間的雙向轉換，被廣泛應用于能量采集器、換能器、機器人等領域。隨著3D打印等增材制造技術的發(fā)展，傳統(tǒng)加工難以實現的復雜幾何結構逐步成為可能。本文綜述了壓電陶瓷器件中幾何形狀對能量轉換性能的影響，涵蓋多層結構、彎曲器、螺旋體、殼體、拓撲優(yōu)化結構及超材料等多種典型設計。為新型壓電器件的設計與制造提供參考。

壓電陶瓷簡介

壓電效應是機械能和電能的耦合，壓電材料在眾多關鍵技術中發(fā)揮著重要作用。其正向壓電效應廣泛應用于各類傳感器、超聲設備和能量采集器中；而逆向壓電效應則常用于高精度驅動器及高功率超聲系統(tǒng)。目前，全球壓電陶瓷市場估值約為20億美元，主要由含鉛陶瓷（如PZT）主導。與單晶材料相比，陶瓷具有更高的可加工性，能夠較容易地制備成多種復雜形狀，因此成為壓電材料研究與應用的核心方向。

壓電設備架構圖

壓電陶瓷形狀的設計

雖然壓電陶瓷長期以來一直以傳統(tǒng)設計的形式使用，例如圓盤、平板、環(huán)和管，但制造方法的進步使得具有復雜形狀以及電極和極化網絡的非傳統(tǒng)壓電陶瓷成為可能。

壓電元件的形狀會影響其振動模式，進而影響機電耦合因子的解析表達式，如下圖。長寬比與標準要求不同的壓電元件將產生多種振動模式的重疊響應。這使得在表征材料參數時阻抗譜的解釋變得復雜，并且需要進行額外的數據分析，尤其是當這些元件用作設備中的傳感器時。

幾種諧振模式的機電耦合系數，其中 t 為厚度，d 為直徑，L 為其他尺寸，P 為極化方向

壓電元件的幾何形狀會顯著影響其耦合系數類型與大小。例如，相比板狀或柱狀結構，薄圓盤在相同方向上的耦合系數較低。形狀由圓盤向柱或棒的轉變能夠增強縱向響應。長寬比的變化也會對測得的電荷系數（如 d??）產生影響。實驗中測得的“有效”d??值可能與材料固有的d??不同。例如，Barzegar 等發(fā)現 PZT 薄圓盤的 d??值普遍降低約 30%。Stewart 等進一步發(fā)現，薄圓盤中的厚度效應使得軟 PZT 的 d??值降低，而硬 PZT 的值則升高。

此外，形狀相關的另一個關鍵因素是曲率。彎曲結構中，由 d?? 分量引起的位移在邊緣處更顯著，并且壓電正應力所產生的彎矩在曲面結構中明顯大于直線結構，從而進一步增強了壓電響應。

用作超聲波換能器的壓電陶瓷

超聲波換能器是壓電陶瓷最重要的商業(yè)應用之一。壓電陶瓷的厚度直接決定了其發(fā)射超聲波的頻率，從而影響成像的空間分辨率與穿透深度。醫(yī)療超聲波應用中，較低頻率（如5MHz）用于深層器官成像，對應陶瓷厚度約為0.45mm；而高頻率（如40 MHz）用于淺表特征成像，對應厚度僅為約57μm。因此，開發(fā)更薄的壓電陶瓷器件是實現高分辨率醫(yī)學成像的關鍵。

同時，為了確保穩(wěn)定的超聲波傳播模式，器件需具備較高的長寬比，以避免非目標模式干擾。這類結構通常采用薄柱等結構，從而激發(fā)更高效的縱向模式（k??）而非橫向模式（k?）。

現代超聲波系統(tǒng)大多采用陣列式換能器，由多個獨立激勵的壓電元件組成。這些陣列可以是線性、曲面、二維或相控陣結構，用于不同的掃描方式。陣列設計對單元尺寸、間距等參數要求極高，以避免聲學串擾，提升成像質量。

此外，非平面壓電陶瓷元件具備天然聚焦特性，能夠將聲波聚焦于一個點，替代傳統(tǒng)的外加透鏡結構。近年來，人們對可產生復雜聲場（如操控顆粒或流體）的壓電元件新形狀也表現出濃厚興趣。

用作能量收集的壓電陶瓷

壓電式能量收集（EH）的目標是為偏遠或難以接觸的位置提供替代電池的解決方案，主要用于微瓦至毫瓦級的低功耗電子設備。常見的EH裝置通常采用簡單幾何形狀的壓電貼片結構，通過優(yōu)化設計使其能量采集頻率與環(huán)境中機械源（如振動、聲音、生物運動、流體流動）頻率相匹配。最常見的結構形式為單片或雙片壓電梁的彎曲模式。

幾何形狀在能量收集的兩個階段至關重要：一是在結構層面高效耦合環(huán)境振動，二是在材料層面高效轉化為電能。因此，壓電器件必須具備良好的形變能力，以提升機電轉換效率，通常采用電荷系數、電壓系數和品質因數等參數來評估其性能。

近年來，壓電EH設備的設計不斷進化，呈現出多樣化趨勢。例如，多向能量收集系統(tǒng)借助陣列或自驅動機制來自我重構，提升在不同方向上的能量采集效率；利用局部共振超材料設計，實現寬頻帶甚至非線性能量響應；通過微米級增材制造（AM）工藝構建具有多種壓電陶瓷的復雜晶格結構，從而獲得全新的物理性能或增強的能量采集能力。

用作機器人技術的壓電陶瓷

壓電陶瓷因具備高輸出力、良好的可控性與穩(wěn)定性，成為微型機器人應用中的理想驅動材料。通過優(yōu)化材料和形狀設計，并結合先進制造工藝，研究人員實現了高驅動力和靈活性的微小壓電元件，可廣泛應用于如管道裂紋檢測、微型操作系統(tǒng)以及仿生微型機器人等領域。

一種典型的設計是多足結構，借助逆壓電效應激發(fā)各“腿部”的不同振動模式，從而實現步態(tài)控制和“行走”功能。此外，仿生設計也廣泛應用，例如模仿蜻蜓翅膀拍打的微型飛行器，利用彎曲型壓電執(zhí)行器來驅動復雜運動。

當前研究前沿正聚焦于“超材料”形狀壓電結構的開發(fā)。這類結構能夠使微型機器人具備類似本體感受的“自我感知”能力，使其不僅能行走，還能轉向、跳躍，具備多種智能化功能，為自主微型系統(tǒng)的發(fā)展提供全新路徑。

超材料本體感受機器人

壓電陶瓷的其他應用

在無損檢測與結構健康監(jiān)測等傳感器應用中，壓電陶瓷器件的設計需依據被感測對象的材料屬性或運動特性進行定制，這與能量收集器及超聲波器件類似。尤其在物聯網（IoT）應用中，對傳感器的多功能性提出更高要求，需能感知溫度、應變、運動、流速、泄漏、濕度、聲振等多種環(huán)境參數。因此，傳感器材料需具備較高的壓電傳感系數、合適的聲阻抗或熱電響應性能。

執(zhí)行器方面，壓電陶瓷難以實現大位移，單塊陶瓷通常適用于需要高力（kN級）、但位移范圍微小（μm級）的場合。為獲得更大位移，設計上采用如單片、雙片結構，甚至是螺旋或彈簧等細長形狀，通過利用d??模式實現行程提升，但這會以犧牲輸出阻力為代價。

生物醫(yī)學領域，壓電器件形狀需個性化定制以匹配患者需求，例如可用于主動式骨替代物。此外，變壓器等器件依賴尺寸和結構形狀調節(jié)諧振頻率，從而實現目標頻率的能量轉換與控制。