压电材料作为感知电力设备放电、振动等信号的关键材料，在电力设备振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等领域得到广泛应用。

压电效应表现为在机械应力的作用下压电材料表面会产生电荷，且产生的电荷量和机械应力成正比，有压缩、弯曲和剪切三种典型压电模式。此外，居里温度、机电耦合系数、压电电压常数、机械品质因数、矫顽场等参数也影响着压电材料的使用温度上限、机-电转换效率、电压输出大小、机电谐振振幅、极化难易程度等性能，直接决定了压电传感器的工作性能和使用场景。

无机压电材料和有机压电材料是压电传感器件的常用材料。

1无机压电材料

无机压电材料发展的历程就是其压电性能提升的过程，压电材料压电性能的提升主要基于元素掺杂进行宏观调控。无机压电材料性能发展可大致分为三个阶段，无机压电陶瓷性能发展示意如图1所示。

传统压电材料开发基于试错方法，可以解决组分较少的单一成分（第一阶段，如BaTiO3、PbTiO3）及准同型相界（第二阶段，如PZT、PMN-PT、BCT-BZT）压电材料体系的开发。而随着压电材料应用需求和应用场景的增加，对高性能压电材料的需求日益迫切，现有基于试错方法开发的材料体系已经发展至瓶颈期，逐渐难以满足精密传感要求。

近年来有研究表明，Sm掺杂PMN-PT等新型复杂多元组分掺杂可以使压电材料压电性能大幅提升，压电系数可达现存压电体系的两倍以上。新型超高性能压电材料因具有多元稀土元素掺杂和材料多尺度复杂结构等特点，使得成分遍历制备方法以及单一尺度的材料结构表征方法等传统手段工作量巨大，无法满足新型超高性能压电材料开发的要求，基于人工智能新方法开发新型超高性能压电材料及其器件已成为未来传感领域前进的必然趋势。

相比于传统制备手段，人工智能寻优方法可利用较少的实验数据，在多元素配方的高维空间中建立性能成分关系模型指导配方设计，具有很高的材料开发效率，是加速获取目标性能的有效手段。开展新型压电材料智能化多元寻优，是进一步提升压电材料性能、开发高性能压电器件的关键，无机压电材料即将迎来第三阶段发展。

2有机压电材料

有机压电材料因其良好的机械特性，被广泛用于柔性传感器件中。其中，聚偏二氟乙烯（PolyvinylideneFluoride，PVDF）是最为典型的有机压电材料，其压电性来源于全反式构象的β晶相（一般经应力拉伸产生），β相含量占比越高压电性能越好。因其柔性好、机械强度高（杨氏模量约MPa）、压电电压常数高、谐振频带宽和机械阻抗低等优点，PVDF被广泛用于压电电声传感器、压电压力波传感器等柔性器件中。

然而，PVDF等有机压电聚合物材料压电系数普遍较低（如PVDF的压电系数d33约28pC/N），且熔点和居里温度在℃以下，其作为压电材料的有效使用温度上限普遍低于℃，限制了高温环境下的应用。因此，如何提高压电系数和扩宽使用温度范围，是PVDF等有机压电材料的重要发展方向。

研究者普遍采用共聚、共混、掺杂的方式提高有机压电材料压电性能。如LiMengyuan等将PVDF与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）共混形成复相结构，以提高压电聚合物的温度稳定性；ChenXiaodong等在PVDF中掺杂55%PZT陶瓷颗粒，使得复合材料的d33大幅提升至超过pC/N。另有研究者发现，无需添加额外材料，PVDF在高压强作用下结合折叠工艺，其β相含量可提升至98%，为提高有机压电材料压电性能提供了新思路。

本文编自年第7期《电工技术学报》，论文标题为“压电材料与器件在电气工程领域的应用”，作者为姚睿丰、王妍等。