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压电陶瓷器件中的几何结构设计与功能拓展

发布时间:

2025-10-16

压电陶瓷因其可实现机械能与电能之间的双向转换，被广泛应用于能量采集器、换能器、机器人等领域。随着3D打印等增材制造技术的发展，传统加工难以实现的复杂几何结构逐步成为可能。本文综述了压电陶瓷器件中几何形状对能量转换性能的影响，涵盖多层结构、弯曲器、螺旋体、壳体、拓扑优化结构及超材料等多种典型设计。为新型压电器件的设计与制造提供参考。

压电陶瓷简介

压电效应是机械能和电能的耦合，压电材料在众多关键技术中发挥着重要作用。其正向压电效应广泛应用于各类传感器、超声设备和能量采集器中；而逆向压电效应则常用于高精度驱动器及高功率超声系统。目前，全球压电陶瓷市场估值约为20亿美元，主要由含铅陶瓷（如PZT）主导。与单晶材料相比，陶瓷具有更高的可加工性，能够较容易地制备成多种复杂形状，因此成为压电材料研究与应用的核心方向。

压电设备架构图

压电陶瓷形状的设计

虽然压电陶瓷长期以来一直以传统设计的形式使用，例如圆盘、平板、环和管，但制造方法的进步使得具有复杂形状以及电极和极化网络的非传统压电陶瓷成为可能。

压电元件的形状会影响其振动模式，进而影响机电耦合因子的解析表达式，如下图。长宽比与标准要求不同的压电元件将产生多种振动模式的重叠响应。这使得在表征材料参数时阻抗谱的解释变得复杂，并且需要进行额外的数据分析，尤其是当这些元件用作设备中的传感器时。

几种谐振模式的机电耦合系数，其中 t 为厚度，d 为直径，L 为其他尺寸，P 为极化方向

压电元件的几何形状会显著影响其耦合系数类型与大小。例如，相比板状或柱状结构，薄圆盘在相同方向上的耦合系数较低。形状由圆盘向柱或棒的转变能够增强纵向响应。长宽比的变化也会对测得的电荷系数（如 d₃₃）产生影响。实验中测得的“有效”d₃₃值可能与材料固有的d₃₃不同。例如，Barzegar 等发现 PZT 薄圆盘的 d₃₃值普遍降低约 30%。Stewart 等进一步发现，薄圆盘中的厚度效应使得软 PZT 的 d₃₃值降低，而硬 PZT 的值则升高。

此外，形状相关的另一个关键因素是曲率。弯曲结构中，由 d₃₃ 分量引起的位移在边缘处更显著，并且压电正应力所产生的弯矩在曲面结构中明显大于直线结构，从而进一步增强了压电响应。

用作超声波换能器的压电陶瓷

超声波换能器是压电陶瓷最重要的商业应用之一。压电陶瓷的厚度直接决定了其发射超声波的频率，从而影响成像的空间分辨率与穿透深度。医疗超声波应用中，较低频率（如5MHz）用于深层器官成像，对应陶瓷厚度约为0.45mm；而高频率（如40 MHz）用于浅表特征成像，对应厚度仅为约57μm。因此，开发更薄的压电陶瓷器件是实现高分辨率医学成像的关键。

同时，为了确保稳定的超声波传播模式，器件需具备较高的长宽比，以避免非目标模式干扰。这类结构通常采用薄柱等结构，从而激发更高效的纵向模式（k₃₃）而非横向模式（kₜ）。

现代超声波系统大多采用阵列式换能器，由多个独立激励的压电元件组成。这些阵列可以是线性、曲面、二维或相控阵结构，用于不同的扫描方式。阵列设计对单元尺寸、间距等参数要求极高，以避免声学串扰，提升成像质量。

此外，非平面压电陶瓷元件具备天然聚焦特性，能够将声波聚焦于一个点，替代传统的外加透镜结构。近年来，人们对可产生复杂声场（如操控颗粒或流体）的压电元件新形状也表现出浓厚兴趣。

用作能量收集的压电陶瓷

压电式能量收集（EH）的目标是为偏远或难以接触的位置提供替代电池的解决方案，主要用于微瓦至毫瓦级的低功耗电子设备。常见的EH装置通常采用简单几何形状的压电贴片结构，通过优化设计使其能量采集频率与环境中机械源（如振动、声音、生物运动、流体流动）频率相匹配。最常见的结构形式为单片或双片压电梁的弯曲模式。

几何形状在能量收集的两个阶段至关重要：一是在结构层面高效耦合环境振动，二是在材料层面高效转化为电能。因此，压电器件必须具备良好的形变能力，以提升机电转换效率，通常采用电荷系数、电压系数和品质因数等参数来评估其性能。

近年来，压电EH设备的设计不断进化，呈现出多样化趋势。例如，多向能量收集系统借助阵列或自驱动机制来自我重构，提升在不同方向上的能量采集效率；利用局部共振超材料设计，实现宽频带甚至非线性能量响应；通过微米级增材制造（AM）工艺构建具有多种压电陶瓷的复杂晶格结构，从而获得全新的物理性能或增强的能量采集能力。

用作机器人技术的压电陶瓷

压电陶瓷因具备高输出力、良好的可控性与稳定性，成为微型机器人应用中的理想驱动材料。通过优化材料和形状设计，并结合先进制造工艺，研究人员实现了高驱动力和灵活性的微小压电元件，可广泛应用于如管道裂纹检测、微型操作系统以及仿生微型机器人等领域。

一种典型的设计是多足结构，借助逆压电效应激发各“腿部”的不同振动模式，从而实现步态控制和“行走”功能。此外，仿生设计也广泛应用，例如模仿蜻蜓翅膀拍打的微型飞行器，利用弯曲型压电执行器来驱动复杂运动。

当前研究前沿正聚焦于“超材料”形状压电结构的开发。这类结构能够使微型机器人具备类似本体感受的“自我感知”能力，使其不仅能行走，还能转向、跳跃，具备多种智能化功能，为自主微型系统的发展提供全新路径。

超材料本体感受机器人

压电陶瓷的其他应用

在无损检测与结构健康监测等传感器应用中，压电陶瓷器件的设计需依据被感测对象的材料属性或运动特性进行定制，这与能量收集器及超声波器件类似。尤其在物联网（IoT）应用中，对传感器的多功能性提出更高要求，需能感知温度、应变、运动、流速、泄漏、湿度、声振等多种环境参数。因此，传感器材料需具备较高的压电传感系数、合适的声阻抗或热电响应性能。

执行器方面，压电陶瓷难以实现大位移，单块陶瓷通常适用于需要高力（kN级）、但位移范围微小（μm级）的场合。为获得更大位移，设计上采用如单片、双片结构，甚至是螺旋或弹簧等细长形状，通过利用d₃₃模式实现行程提升，但这会以牺牲输出阻力为代价。

生物医学领域，压电器件形状需个性化定制以匹配患者需求，例如可用于主动式骨替代物。此外，变压器等器件依赖尺寸和结构形状调节谐振频率，从而实现目标频率的能量转换与控制。