壓電陶瓷是一種能將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能陶瓷，在諧振器、傳感器、超聲換能器、驅(qū)動(dòng)器、濾波器、電子點(diǎn)火器等方面有著廣泛的應(yīng)用。鋯鈦酸鉛（Pb(Zr1-xTiO3)，PZT）陶瓷具有優(yōu)良的壓電、介電性能。由于其穩(wěn)定性好，精度高，能量轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)速度快，機(jī)械品質(zhì)因子、壓電系數(shù)、機(jī)電耦合常數(shù)明顯優(yōu)于無鉛壓電陶瓷，被廣泛應(yīng)用于壓電傳感及驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，如超聲換能器等，對(duì)結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)、能量采集等領(lǐng)域具有重大意義。
1 PZT壓電陶瓷的發(fā)展歷程
1942年人們發(fā)現(xiàn)了BaTiO3的壓電性，由于其介電常數(shù)較高，很快獲得應(yīng)用發(fā)展，至今仍用于制作聲吶裝置的振子和聲學(xué)計(jì)測(cè)裝置以及濾波器等，但因存在頻率溫度穩(wěn)定性欠佳等問題。
1954年美國(guó)的研究人員發(fā)現(xiàn)鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷具有良好的壓電性能，其機(jī)電耦合系數(shù)近于BaTiO3的一倍。在之后的30年間，PZT以其強(qiáng)又穩(wěn)定的壓電性能成為應(yīng)用最廣的壓電材料，該種材料的出現(xiàn)使得壓電器件從傳統(tǒng)的換能器及濾波器擴(kuò)展到引燃引爆裝置、電壓變壓器及壓電發(fā)電裝置等。如果把BaTiO3作為單元系壓電陶瓷的代表，那么PZT可作為二元系壓電陶瓷的代表。PZT壓電陶瓷由于它的性能參數(shù)多樣性、振動(dòng)模式的研究與開發(fā)利用以及器件制作技術(shù)的進(jìn)步等因素，促使它在近十年來發(fā)展甚為迅速，應(yīng)用日趨廣泛。
2 PZT壓電陶瓷的制備流程
（1）坯體制備
采用干壓成型的方式制備坯件，干壓成型前應(yīng)先將粉料造粒，即在粉料中加入占料中約5%的黏合劑，攪拌均勻并過篩，再進(jìn)行預(yù)壓塊，最后將預(yù)壓塊研碎并過細(xì)篩。造粒的目的不僅使黏合劑更加均勻地分布在粉料中，而且由于顆粒本身已經(jīng)壓緊，壓料中空氣又少，并較易排出，因此利于成型，成型樣品密度更加均勻。
（2）瓷件燒結(jié)和機(jī)械加工
干壓成型后的坯件，需要通過高溫?zé)Y(jié)才能成瓷。燒結(jié)是顆粒重排靠近，使材料致密化以及晶粒生長(zhǎng)的過程，過高的燒結(jié)溫度使陶瓷晶粒生長(zhǎng)過大或組織結(jié)構(gòu)不均勻，而燒結(jié)溫度過低則會(huì)導(dǎo)致晶粒發(fā)育不完全，這些都會(huì)導(dǎo)致PZT壓電陶瓷元件的壓電性能受到影響。
（3）上電極
PZT壓電陶瓷元件兩級(jí)間需要有金屬電極才能導(dǎo)電，發(fā)揮壓電性。傳統(tǒng)的上電極方法有很多種，如燒滲銀層、真空蒸鍍、化學(xué)沉銀和化學(xué)沉銅等。
（4）極化
PZT壓電陶瓷元件上電極后，需要經(jīng)過極化才能顯示壓電效應(yīng)。要使壓電陶瓷得到完善的極化，充分發(fā)揮其壓電性能就必須合理地選擇極化條件，即極化電場(chǎng)、極化溫度和極化時(shí)間。只有在極化電場(chǎng)作用下，電疇才能沿電場(chǎng)方向取向排列，極化電場(chǎng)越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化就越完善。
3 PZT壓電陶瓷的應(yīng)用
近年來，PZT壓電陶瓷在包括但不限于以下幾個(gè)方面得到了應(yīng)用：
（1）高位移新型壓電制動(dòng)器
自從發(fā)明壓電制動(dòng)器特別是多層壓電制動(dòng)器以來，其應(yīng)用日益擴(kuò)大，特別是精密定位方面?，F(xiàn)在多層壓電制動(dòng)器在國(guó)外已經(jīng)大量地應(yīng)用于汽車的燃料注入系統(tǒng)的懸置系統(tǒng)。
（2）壓電變壓器
壓電變壓器從50年代就已開始研制，但是直到90年代才進(jìn)入商品化。壓電陶瓷變壓器體積小，質(zhì)量輕，可以做成扁平形狀，它實(shí)際上沒有電磁噪聲，只產(chǎn)生有限的熱，而轉(zhuǎn)換率高達(dá)95%，所以90年代隨著薄形電源以及高頻（大于2MHz）開關(guān)電源對(duì)壓電變壓器迫切要求，對(duì)壓電變壓器的研制又重新活躍起來?，F(xiàn)在已研制成多層壓電變壓器，最大功率已超過50W，并且已大量地應(yīng)用在筆記本式計(jì)算機(jī)液晶顯示器的背光電源以及復(fù)印機(jī)和傳真機(jī)的高壓電源。
（3）用于主動(dòng)減震和降噪的壓電器件
許多機(jī)械結(jié)構(gòu)往往會(huì)發(fā)生振動(dòng)，由此又常常會(huì)引發(fā)噪聲，對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的減振降噪控制（如運(yùn)行的機(jī)械、潛艇殼體、航空航天飛行器以及艙內(nèi)），具有重要的意義。特別是大型精密的航空航天的撓性結(jié)構(gòu)，一般質(zhì)量輕、阻尼小，一旦發(fā)生振動(dòng)，其衰減過程十分緩慢；長(zhǎng)期如此便會(huì)影響到結(jié)構(gòu)運(yùn)行的精度，甚至?xí)l(fā)結(jié)構(gòu)疲勞、失穩(wěn)等現(xiàn)象，因此對(duì)撓性結(jié)構(gòu)的減振研究是十分必要的。傳統(tǒng)的被動(dòng)減振降噪方法是通過增加質(zhì)量、阻尼、剛度、或者是通過結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)而改變系統(tǒng)的特性。壓電材料自身具有的正反壓電效應(yīng)，使其成為撓性結(jié)構(gòu)主動(dòng)分布控制中檢測(cè)器與執(zhí)行器的理想材料。
（4）醫(yī)用微型壓電陶瓷傳感器
美國(guó)密蘇里-羅拉大學(xué)陶瓷工程系的一位教授研制出一種微型電壓陶瓷傳感器，它比人的頭發(fā)還要細(xì)小，可以將它用來幫助醫(yī)生探測(cè)病人的心臟附近，如冠狀動(dòng)脈，具有潛在致命危險(xiǎn)的膽固醇的累計(jì)情況，使用時(shí)，將這種十分細(xì)小的傳感器插入動(dòng)脈血管并通過微細(xì)光纜輸送到心臟部位，用來診斷有生命危險(xiǎn)的膽固醇堵塞部位的位置和厚度，為在血管內(nèi)采用激光外科手術(shù)將其清除鋪平道路。