压电陶瓷的压电效应的科学原理

压电陶瓷的独特性能源于其晶体结构的非中心对称性。在未受外力作用时，晶体内部的正负电荷中心重合，整体不表现出极性；而当受到机械应力时，晶体结构发生形变，导致正负电荷中心分离，从而在材料表面产生电荷，这种现象称为正压电效应。反之，当施加外电场时，晶体会产生机械形变，称为逆压电效应。这种双向转换特性使得压电陶瓷成为理想的能量转换介质。钛酸钡（BaTiO₃）是较早实现工业化的压电陶瓷材料。20世纪50年代，科学家发现锆钛酸铅（PZT）系列材料具有更优异的压电性能，其压电系数和机电耦合系数显著提高，温度稳定性也更好，迅速成为主流应用材料。近年来，无铅压电陶瓷的研发成为热点，以铌酸钾钠（KNN）为代表的新型材料在环保性能上取得突破，虽然目前性能仍略逊于PZT，但为可持续发展提供了重要方向。