压电材料是设计高性能换能器的关键。压电材料（piezoelectric material）是受到压力作用时会在两端面间出现电压的。1880年，法国物理学家P. 居里和J. 居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷（正压电效应）。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形（逆压电效应）。利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。通常又分以下几种压电材料：

   （1）、{dy}类压电材料—压电单晶：这是xx形成或人工制成的，具有各向异性单晶铁电材料。它具有的压电效应是基于组成晶体结构的点阵上正负离子相对变化而引起的。常用的压电单晶有：

石英（SiO2）：这是xx形成或人工培育的晶体，均匀性好，居里点高，阻抗高，机械Q值（Qm）大，硬度耐磨性好，不潮解，性能极其稳定，老化慢，而且性能随温度的变化极小，可获得不随时间而变的线性频率温度系数，能量损耗小，可用于极高的频率，绝缘性好，能在高电压下使用，而且能在较高温度和极低的温度下使用等。由于石英具备了许多优越性，故至今仍被广泛的使用，特别是作为标准换能器。其缺点就是机电变换效率低，使系统回路的增益降低。

铌酸锂（LiNbO3）：这是人工培育的铁电单晶，直径可达120mm。它可用于直接激发超声横波且机电耦合系数很高，具有优越的压电性能；其Q值相当大，居里点高能在高温下使用，超声传播损失小，频率常数大，可用于制作超高频的换能器等。因此它已被用作声表面波换能器的常用基底材料，当用作体积波换能器时能获得比常用压电陶瓷换能器还要好的灵敏度。

碘酸锂（）：也是人工单晶。由于机械性能好，易于加工，能溶于水但不易潮解，物理化学性能比较稳定，压电性能优良，具有高的机电耦合系数和低的介电常数，并且Q值相当低，很适合制作高灵敏度、高分辨率的宽频带超声换能器及延迟线。

（2）、第二类压电材料—压电陶瓷：这是通过粉末烧结方法人工焙烧制成的多晶材料，它具有的压电效应是基于电致伸缩效应；其压电性能随烧结工艺和配方的不同而存在差役，因此其种类繁多且性能也互有出入。压电陶瓷易于制成各种形状，以多种模式振动以适应于各种用途，具有较高的机电变换效率，较高的回路增益和灵敏度是其重要优越性。常用的压电陶瓷有：

钛酸钡（BaTiO3）：这是使用二氧化钛（TiO2）与碳酸钡（BaCO3）在高温下混合烧结而成，是较早期使用的压电陶瓷。其居里温度低，温度依赖性大并且时间稳定性和热稳定性较差，现仍使用于声纳辐射器和超声换能器等。

锆钛酸铅，其中，代号为PZT。现已有多种配方并各有特点。PZT系列的主要特点是机电耦合系数高，其中PZT-4为发射型，它的高激励特性好（Q值较高，内部损耗小等）故适用于声纳辐射器、超声换能器、高压发生器以及大功率换能器等。PZT-5为接收型，它的介电常数高，老化慢，Qm值低故用于水听器、超声换能器、电唱机拾音器、微音器以及扬声器元件和适用于宽带脉冲型检测等。此外还有PZT-2、PZT-5A、PZT-5H、PZT-6A、PZT-7A等。

除上述这些以外，压电陶瓷的品种还有钛酸铅（）、铌酸铅（PbNbO3）、偏铌酸铅（PbNb2O6）（Qm值较低，适用于制作窄脉冲超声纵波换能器）等等。

新发展的三元系压电陶瓷是由三元组成的，{dy}元是新添元素，成分百分比以X表示，第二元为钛酸铅（PbTiO3），其百分比用Y表示。第三元为锆酸铅（PbZrO3），其百分比用Z表示，此外还添入了少量杂质和替代物。例如：铌镁酸铅系XPb（Mg1/3Nb2/3）O3，具有径向振动机电耦合系数（Kp）高，介电常数高，Q较大和稳定性较好的特点，某些配方还可达到机械强度，特别是抗弯强度很高，可用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线以及引燃引爆器等。

除了三元系压电陶瓷外，现又发展了性能优良的铌镍—铌锌—钛—锆酸铅四元系压电陶瓷。

   （3）、第三类压电材料—极性高分子压电材料：它是具有压电效应的新型人工合成的半结晶性聚合物，称为极性高分子聚合物，其中以聚偏氟乙烯PVDF性能{zh0}。

PVDF（—CH2—CF2—）是具有极性的高分子聚合物之一。在低于1000C温度下将PVDF薄膜拉伸到原来的几倍长，即得到型（PVDF的一种结晶形式）薄膜，施上电极（通常是铝），在高直流电场中极化（温度在80～1500C），将获得压电性能，它可以有效地用作声接收器，具有良好的热稳定性；此外材料可以弯曲，声阻抗小，与水匹配较好，特别适用于水听器以及医学超声诊断声场测试用的换能器。压电薄膜材料的缺点是信噪比尚比理想，机电耦合系数还不够大而且机械和介电损失比较大。此外由于品质因数较小，故不适用于需要尖锐共振之处，也不适用于大输入和连续工作，因为PVDF在800C以上的温度工作使用时，其压电效果减小。此外还有聚氟乙二烯（PVF2）等。

除上述三类压电材料，还有复合压电材料及氧化锌压电薄膜。

复合压电材料是将强介电性陶瓷微粒分散混合于高分子材料中构成，其处理和使用与高分子压电材料一样，其压电性能不仅依赖于陶瓷粒子，也和作为集体的高分子材料的种类有很大的关系，特别是和PVDF及氟化亚乙烯基等介电率高的高分子的复合系，可用作强压电材料。这种压电材料无需像其他高分子压电体那样做延伸处理，内部各向同性，随基体高分子材料的种类变化，可获得较大的弹性率变化范围，特别是可以热压成形，使用、很方便。如PVDF和PZT系的复合材料，其压电性能和介电性能很稳定，这类材料已达使用阶段，在应用方面与压电高分子聚合物材料很类似。

例如1-3型压电复合材料是指一维连通的压电陶瓷棒按一定规律平行分布于三维连通的聚合物基体中，且压电陶瓷棒垂直于电极面而形成的压电复合材料。

它具有以下特点：1）、低声阻抗，聚合物声阻抗较低，使得压电复合材料的声阻抗也低，约为普通PZT材料的1/4。制作换能器时容易找到相应的吸声材料做背衬，同时使换能器易于与水或人体组织匹配。此外还可通过改变压电陶瓷相的体积分数控制压电复合材料的声阻抗，从而匹配不同的介质。因此1-3型压电复合材料在水浸探伤、石油测井和医疗超声中具有广阔的应用前景。2）、低机械Q值，1-3型压电复合材料的Q值比普通PZT低2～3个数量级，这是由于聚合物衰减较大所致。低Q值使压电复合材料很适合制作宽带窄脉冲换能器。3）、低介电常数，这也是与聚合物本身的特性相关。正因如此使压电复合材料的介电常数远低于普通PZT的介电常数。由此使压电复合材料的静电容较小，换能器工作时输入阻抗较高，因而有较高的接收灵敏度。另外低静电容使得充放电时间较短，利用压电复合材料可制作首次波幅比较大的换能器。4）、较小的平面机电耦合系数，在压电复合材料中，PZT柱由聚合物相互耦合在一起，其平面机电耦合系数要小于普通PZT的平面机电耦合系数。因而压电复合材料响应电压中的低频成分即径向膜要弱于普通PZT，使能量更集中于厚度膜，这在一定程度上改善了脉冲的时间响应。5）、柔韧性，因为聚合物在高温下柔韧性增强，可把压电复合材料制成一些特殊形状，以满足实际应用中的特殊要求。在以往的聚焦换能器的制作中，在PZT或压电单晶表面附加声透镜，以使声束变窄或聚焦于空间某一点。应用压电复合材料，则可在高温下压制成具有一定曲率的球状柱状凹面，使声波直接汇聚曲率中心，产生点聚焦或线聚焦声束，免去了制作声透镜及推算焦点位置的麻烦，同时也可减少声透镜产生的损失，提高换能器的灵敏度。6）、PZT相分布的可控制性，控制PZT相的体积分数随压电复合材料的半径呈一定分布，从而压电常数等与此有关的参数都随半径呈类似分布，以达到控制辐射声场的目的。例如制作削弱边缘波的高斯换能器时，使PZT相的体积分数在复合压电材料中随半径按高斯函数分布，使的压电常数也有相似关系，从而获得高斯型声束。