压电陶瓷因其可实现机械能与电能之间的双向转换，被广泛应用于能量采集器、换能器、机器人等领域。随着3D打印等增材制造技术的发展，传统加工难以实现的复杂几何结构逐步成为可能。本文综述了压电陶瓷器件中几何形状对能量转换性能的影响，涵盖多层结构、弯曲器、螺旋体、壳体、拓扑优化结构及超材料等多种典型设计。为新型压电器件的设计与制造提供参考。
压电陶瓷简介
压电效应是机械能和电能的耦合，压电材料在众多关键技术中发挥着重要作用。其正向压电效应广泛应用于各类传感器、超声设备和能量采集器中；而逆向压电效应则常用于高精度驱动器及高功率超声系统。目前，全球压电陶瓷市场估值约为20亿美元，主要由含铅陶瓷（如PZT）主导。与单晶材料相比，陶瓷具有更高的可加工性，能够较容易地制备成多种复杂形状，因此成为压电材料研究与应用的核心方向。
压电设备架构图
压电陶瓷形状的设计
虽然压电陶瓷长期以来一直以传统设计的形式使用，例如圆盘、平板、环和管，但制造方法的进步使得具有复杂形状以及电极和极化网络的非传统压电陶瓷成为可能。
压电元件的形状会影响其振动模式，进而影响机电耦合因子的解析表达式，如下图。长宽比与标准要求不同的压电元件将产生多种振动模式的重叠响应。这使得在表征材料参数时阻抗谱的解释变得复杂，并且需要进行额外的数据分析，尤其是当这些元件用作设备中的传感器时。
几种谐振模式的机电耦合系数，其中 t 为厚度，d 为直径，L 为其他尺寸，P 为极化方向
压电元件的几何形状会显著影响其耦合系数类型与大小。例如，相比板状或柱状结构，薄圆盘在相同方向上的耦合系数较低。形状由圆盘向柱或棒的转变能够增强纵向响应。长宽比的变化也会对测得的电荷系数（如 d₃₃）产生影响。实验中测得的“有效”d₃₃值可能与材料固有的d₃₃不同。例如，Barzegar 等发现 PZT 薄圆盘的 d₃₃值普遍降低约 30%。Stewart 等进一步发现，薄圆盘中的厚度效应使得软 PZT 的 d₃₃值降低，而硬 PZT 的值则升高。
此外，形状相关的另一个关键因素是曲率。弯曲结构中，由 d₃₃ 分量引起的位移在边缘处更显著，并且压电正应力所产生的弯矩在曲面结构中明显大于直线结构，从而进一步增强了压电响应。
