壓電陶瓷材料研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用

神華準(zhǔn)能資源綜合開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300

1 壓電陶瓷材料應(yīng)用現(xiàn)狀

50 年代末，我國相關(guān)工程師開始對壓電陶瓷進(jìn)行深入了解，雖然比國外的研究晚了十來年，但是就目前來看，壓電陶瓷的制作和生產(chǎn)等技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，甚至有的材料已經(jīng)跟國際水平相當(dāng)。就今年而言因為受全球疫情影響，口罩機(jī)市場需求迫切，口罩生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是無紡布的熔接，無紡熔接生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備是超聲波焊接設(shè)備，該設(shè)備的關(guān)鍵配件就是換能器中的壓電陶瓷片，關(guān)鍵配件的短缺導(dǎo)致設(shè)備的緊缺。由于口罩設(shè)備24h 工作，換能片壽命降低，市場流通的產(chǎn)品本來就少。此外，壓電陶瓷片在制作過程中，產(chǎn)品比較占空間，目的是讓產(chǎn)品充分燒結(jié)，所以出品率比較低，因此造成了目前壓電陶瓷片市場緊缺。傳統(tǒng)壓電材料含有重金屬鉛雖然其在傳感器、驅(qū)動器、能量回收等方面表現(xiàn)突出性能，在無人裝備與人工智能研究領(lǐng)域，高性能織構(gòu)壓電陶瓷科技應(yīng)用成果頗多，國內(nèi)以高校為主研究搭建產(chǎn)業(yè)化實驗室，實現(xiàn)高性能織構(gòu)壓電陶瓷及高端壓電器件大規(guī)模量產(chǎn)，進(jìn)而實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

2 壓電陶瓷材料的性能挑戰(zhàn)

在過去的幾十年中無鉛壓電陶瓷快速迅猛的研究下產(chǎn)生了許多可圈可點的產(chǎn)品。但是，即便有了新進(jìn)展也不會帶來該領(lǐng)域的研究熱潮，隨之而來的一些缺點成為該領(lǐng)域挑戰(zhàn)點，其中之一是某些報告中提到其性質(zhì)的可重復(fù)性令人擔(dān)憂。很難明確地確定來源，但可能與個別加工步驟的敏感性、實驗條件報告不佳、缺乏對大量統(tǒng)計相關(guān)樣本數(shù)量的測試以及生產(chǎn)壓力的增加有關(guān)。糟糕的重復(fù)性實際上是整個科學(xué)界面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，它帶來了一些行業(yè)的不信任和興趣下降。盡管存在這些挑戰(zhàn)，但我們注意到，許多列出的加工問題并不是無鉛壓電陶瓷獨有的，而且還出現(xiàn)在PZT 和其它商業(yè)鐵電材料中，它們在60多年的不斷發(fā)展中得到了適當(dāng)?shù)难芯亢徒鉀Q。對于許多無鉛成分的個別加工參數(shù)的類似的系統(tǒng)研究仍然缺乏。

2.1 溫度穩(wěn)定性

較差的溫度穩(wěn)定性，是壓電陶瓷材料的瓶頸項。研究人員試圖通過多種方法提高材料在較高溫度下不發(fā)生結(jié)構(gòu)相變、且各向性能參數(shù)不受高溫影響，才能長期處于高溫狀態(tài)下工作而穩(wěn)定可靠，目前通過摻雜手段進(jìn)行改善效果不理想。

2.2 制備工藝重復(fù)性

制備工藝重復(fù)性差。由于壓電性能對其組分要求非常苛刻，還有制備高性能陶瓷材料的燒結(jié)過程中對于溫度適用范圍小的限制，是該材料能否實用化的關(guān)鍵。例如PZT 薄膜被廣泛應(yīng)用在在醫(yī)療超聲、光電子學(xué)、微電子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)和集成光學(xué)等領(lǐng)域如超聲成像、超聲換能器、蜂鳴器和壓力傳感器等電子元器件中均發(fā)揮重要作用。PZT 薄膜材料被業(yè)界認(rèn)可最優(yōu)的壓電薄膜材料，可是其薄膜制備過程冗雜，制備工藝適用性差，經(jīng)濟(jì)成本控制不理想是限制其材料應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵。

3 織構(gòu)壓電材料應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 PZT 壓電陶瓷材料

在海底勘探、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)品、電信、汽車、石油勘探等領(lǐng)域PZT 材料性能及應(yīng)用表現(xiàn)均較為突出。

以鋯鈦酸鉛（PZT）為核心的鉛基壓電陶瓷在各個方面都擁有良好的性能，所以在實踐中得到了很好的應(yīng)用，然而PZT壓電陶瓷也有很多弊端，比如居里溫度往往在350℃以下，長時間穩(wěn)定工作時的溫度一般在170℃以下，所以一旦環(huán)境溫度超過170℃，則會使材料熱退極化，最終使得壓電效果降低，元器件被損壞。所以，在工業(yè)技術(shù)行業(yè)中，人們往往將PZT 壓電陶瓷的最高使用溫度界定在170℃左右，也就是說在200℃左右的環(huán)境溫度中是無法應(yīng)用的。因此尋找綜合性能更佳，并且工作溫度更高的壓電材料一直是我們正在努力的方向。而當(dāng)下，在特種高溫環(huán)境下一直在應(yīng)用壓電單晶材料，這種材料生產(chǎn)工藝復(fù)雜、價格貴、壓電性能較差，并且其抗極端沖擊和振動性能也明顯弱于壓電陶瓷材料。所以，設(shè)計出具有高溫度穩(wěn)定性、低價、綜合性能突出的高溫壓電陶瓷材料已成為壓電材料研究熱點和重點課題。

3.2 環(huán)境友好型壓電陶瓷

壓電陶瓷材料在工程中的應(yīng)用越來越多、越來越重要，對于環(huán)境友好型壓電陶瓷相關(guān)元器件和傳感器的需求越來越多，所以對材料的穩(wěn)定性等其他方面都有很高的要求

隨著壓電陶瓷材料應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，環(huán)境友好型壓電陶瓷元器件及其傳感器的應(yīng)用越來越廣泛需求，同時材料的穩(wěn)定性及各方面的性能都是考慮的重點，市場對產(chǎn)品性能指標(biāo)需要一直在提高，迫使其工藝也需要不斷地改進(jìn)，從而滿足多方市場的不同需求。目前技術(shù)難點就是性能指標(biāo)的調(diào)整，關(guān)鍵工藝的改進(jìn)以及技術(shù)難題的突破。

高溫壓電陶瓷主要有4 種，分別為堿金屬鈮酸鹽、鎢青銅結(jié)構(gòu)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、鉍層狀結(jié)構(gòu)。他們的居里溫度低于900℃，對于航空航天這類的超高溫環(huán)境是無法應(yīng)用的。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)工程師也在加強(qiáng)對超高居里溫度的高性能的壓電陶瓷材料的深入鉆研，所以，研究具有超高居里溫度和穩(wěn)定性能優(yōu)異的壓電陶瓷材料也是當(dāng)前的重要課題。

我國擁有不少的新型陶瓷企業(yè)，但是分布比較散，所以無法形成很好的產(chǎn)業(yè)集群，而且，受原料，技術(shù)以及設(shè)備多方面的制約，國內(nèi)新型陶瓷正處于發(fā)展的瓶頸期，而許多傳統(tǒng)陶瓷企業(yè)受國家產(chǎn)業(yè)升級政策的影響，產(chǎn)生向新型陶瓷領(lǐng)域轉(zhuǎn)型的想法。