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(kāi)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(guó)相關(guān)工程師開(kāi)始對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行深入了解，雖然比國(guó)外的研究晚了十來(lái)年，但是就目前來(lái)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(guó)際水平相當(dāng)。就今年而言因?yàn)槭苋蛞咔橛绊?，口罩機(jī)市場(chǎng)需求迫切，口罩生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是無(wú)紡布的熔接，無(wú)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(chǎng)流通的產(chǎn)品本來(lái)就少。此外，壓電陶瓷片在制作過(guò)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(chǎng)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(dòng)器、能量回收等方面表現(xiàn)突出性能，在無(wú)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(guó)內(nèi)以高校為主研究搭建產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)室，實(shí)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

2 壓電陶瓷材料的性能挑戰(zhàn)

在過(guò)去的幾十年中無(wú)鉛壓電陶瓷快速迅猛的研究下產(chǎn)生了許多可圈可點(diǎn)的產(chǎn)品。但是，即便有了新進(jìn)展也不會(huì)帶來(lái)該領(lǐng)域的研究熱潮，隨之而來(lái)的一些缺點(diǎn)成為該領(lǐng)域挑戰(zhàn)點(diǎn)，其中之一是某些報(bào)告中提到其性質(zhì)的可重復(fù)性令人擔(dān)憂(yōu)。很難明確地確定來(lái)源，但可能與個(gè)別加工步驟的敏感性、實(shí)驗(yàn)條件報(bào)告不佳、缺乏對(duì)大量統(tǒng)計(jì)相關(guān)樣本數(shù)量的測(cè)試以及生產(chǎn)壓力的增加有關(guān)。糟糕的重復(fù)性實(shí)際上是整個(gè)科學(xué)界面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，它帶來(lái)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(wèn)題并不是無(wú)鉛壓電陶瓷獨(dú)有的，而且還出現(xiàn)在PZT 和其它商業(yè)鐵電材料中，它們?cè)?0多年的不斷發(fā)展中得到了適當(dāng)?shù)难芯亢徒鉀Q。對(duì)于許多無(wú)鉛成分的個(gè)別加工參數(shù)的類(lèi)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(xiàng)。研究人員試圖通過(guò)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(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)下工作而穩(wěn)定可靠，目前通過(guò)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(duì)其組分要求非?？量蹋€有制備高性能陶瓷材料的燒結(jié)過(guò)程中對(duì)于溫度適用范圍小的限制，是該材料能否實(shí)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(guò)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(chē)、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(gè)方面都擁有良好的性能，所以在實(shí)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(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作時(shí)的溫度一般在170℃以下，所以一旦環(huán)境溫度超過(guò)170℃，則會(huì)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(shuō)在200℃左右的環(huán)境溫度中是無(wú)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(jià)格貴、壓電性能較差，并且其抗極端沖擊和振動(dòng)性能也明顯弱于壓電陶瓷材料。所以，設(shè)計(jì)出具有高溫度穩(wěn)定性、低價(jià)、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(diǎn)和重點(diǎn)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(lái)越多、越來(lái)越重要，對(duì)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(lái)越多，所以對(duì)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(lái)越廣泛需求，同時(shí)材料的穩(wěn)定性及各方面的性能都是考慮的重點(diǎn)，市場(chǎng)對(duì)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(mǎn)足多方市場(chǎng)的不同需求。目前技術(shù)難點(diǎn)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(duì)于航空航天這類(lèi)的超高溫環(huán)境是無(wú)法應(yīng)用的。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)工程師也在加強(qiáng)對(duì)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(guó)擁有不少的新型陶瓷企業(yè)，但是分布比較散，所以無(wú)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(guó)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?chē)?guó)家產(chǎn)業(yè)升級(jí)政策的影響，產(chǎn)生向新型陶瓷領(lǐng)域轉(zhuǎn)型的想法。