壓電材料

壓電材料 (Piezoelectric Material)
臺北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師/國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

物質受壓力（應力）而產生電流的現象稱為壓電效應(Piezoelectric effect)，此乃利用能量轉換(Transducer)原理把機械能(Mechanical energy)轉變成電能的方法。

具有壓電性質的材料種類很多，在1942年發現鈦酸鋇(BaTiO₃₎具有壓電性質後，科學家陸續發現陶瓷類的鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛(Lead zirconate titanate，PZT)及單晶類的鈮酸鋰、鈮酸鉀、石英、電氣石、羅德鹽(Rochelle salt，Potassium sodium tartrate)與薄膜類的氧化鋅等都具有壓電的特性。此外，天然的高分子中亦有一些物質具有此種性質，如骨骼、聚氨基酸、DNA、木材等。人工合成的聚合物中的聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟氯乙烯、耐隆11等也具有較強的壓電性能。

以往的壓電材料大都以鈦酸鋇及鋯鈦酸鉛等無機陶瓷材料為主，一般而言，壓電陶瓷材料具有體積小、反應快速、位移消耗功率低等特色，但使用上仍有限制，如材質易脆等，因為雖然陶瓷材料可以承受較大的正向壓力，但是當它承受不均勻的力量時，也很容易破壞材料的結構。近年來以聚偏氟乙烯(Polyvinylidene，PVDF) 為代表的有機高分子材料最受注目，PVDF高分子聚合物的強壓電效應是在1969年在不經意的情況下發現的。PVDF具有壓電效應是因分子鏈的構形(conformation)不同而有各種結晶型態，其中β型的分子鏈是反式（Trans）的鋸齒狀（Zigzag）排列，由於此分子鏈上CF₂偶極(Dipole)在同一方向相互平行而產生自發性分極的極性結晶構造。當對此PVDF結晶的某一方向施加壓力而產生形變時，偶極的大小及方向也隨之變化，因此電荷量也隨之變化，而產生電壓。

高分子壓電材料具有以下的特點：

1.成型加工簡單，可製成超薄而廣面積的薄膜。

2.具有可屈撓性及耐衝擊性。

3.音響阻抗小，很接近水及生物體值。

4.可局部產生壓電效果等。

壓電的實際應用是利用橫向(Transverse)或縱向(Longitudinal)的壓電效應所製成的電–音能量轉換裝置(Electroacoustic transducer)，由於所施加電壓的變化、壓電膜（PVDF或其共聚體）可產生伸縮運動，如果把電膜兩端固定則可轉換膜的伸縮運動為膜的前後振動，利用此原理，把壓電膜直接做為震動體，可製得構造簡單效果優越的耳機(Headphone)、聽筒及音響擴音機。 至於壓電膜的縱向壓電效應（厚度共振）的應用巳被實用化的有超音波斷層影像診斷裝置及陶瓷、金屬等的非破壞檢查裝置。

参考文獻

1.郭建志（1991），高分子的高科技應用，台北高立圖書有限公司，第58-61頁。

2. Center for Intelligent Material Systems and Structures, Virginia Polytechnic Institute & State University, 2004