压电陶瓷材料研究现状及其应用

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1 压电陶瓷材料应用现状

50 年代末，我国相关工程师开始对压电陶瓷进行深入了解，虽然比国外的研究晚了十来年，但是就目前来看，压电陶瓷的制作和生产等技术已经相当成熟，甚至有的材料已经跟国际水平相当。就今年而言因为受全球疫情影响，口罩机市场需求迫切，口罩生产的关键环节是无纺布的熔接，无纺熔接生产的关键设备是超声波焊接设备，该设备的关键配件就是换能器中的压电陶瓷片，关键配件的短缺导致设备的紧缺。由于口罩设备24h 工作，换能片寿命降低，市场流通的产品本来就少。此外，压电陶瓷片在制作过程中，产品比较占空间，目的是让产品充分烧结，所以出品率比较低，因此造成了目前压电陶瓷片市场紧缺。传统压电材料含有重金属铅虽然其在传感器、驱动器、能量回收等方面表现突出性能，在无人装备与人工智能研究领域，高性能织构压电陶瓷科技应用成果颇多，国内以高校为主研究搭建产业化实验室，实现高性能织构压电陶瓷及高端压电器件大规模量产，进而实现工业化应用。

2 压电陶瓷材料的性能挑战

在过去的几十年中无铅压电陶瓷快速迅猛的研究下产生了许多可圈可点的产品。但是，即便有了新进展也不会带来该领域的研究热潮，随之而来的一些缺点成为该领域挑战点，其中之一是某些报告中提到其性质的可重复性令人担忧。很难明确地确定来源，但可能与个别加工步骤的敏感性、实验条件报告不佳、缺乏对大量统计相关样本数量的测试以及生产压力的增加有关。糟糕的重复性实际上是整个科学界面临的一个关键挑战，它带来了一些行业的不信任和兴趣下降。尽管存在这些挑战，但我们注意到，许多列出的加工问题并不是无铅压电陶瓷独有的，而且还出现在PZT 和其它商业铁电材料中，它们在60多年的不断发展中得到了适当的研究和解决。对于许多无铅成分的个别加工参数的类似的系统研究仍然缺乏。

2.1 温度稳定性

较差的温度稳定性，是压电陶瓷材料的瓶颈项。研究人员试图通过多种方法提高材料在较高温度下不发生结构相变、且各向性能参数不受高温影响，才能长期处于高温状态下工作而稳定可靠，目前通过掺杂手段进行改善效果不理想。

2.2 制备工艺重复性

制备工艺重复性差。由于压电性能对其组分要求非常苛刻，还有制备高性能陶瓷材料的烧结过程中对于温度适用范围小的限制，是该材料能否实用化的关键。例如PZT 薄膜被广泛应用在在医疗超声、光电子学、微电子学、微机电系统和集成光学等领域如超声成像、超声换能器、蜂鸣器和压力传感器等电子元器件中均发挥重要作用。PZT 薄膜材料被业界认可最优的压电薄膜材料，可是其薄膜制备过程冗杂，制备工艺适用性差，经济成本控制不理想是限制其材料应用发展的关键。

3 织构压电材料应用领域

3.1 PZT 压电陶瓷材料

在海底勘探、航空航天、医疗产品、电信、汽车、石油勘探等领域PZT 材料性能及应用表现均较为突出。

以锆钛酸铅（PZT）为核心的铅基压电陶瓷在各个方面都拥有良好的性能，所以在实践中得到了很好的应用，然而PZT压电陶瓷也有很多弊端，比如居里温度往往在350℃以下，长时间稳定工作时的温度一般在170℃以下，所以一旦环境温度超过170℃，则会使材料热退极化，最终使得压电效果降低，元器件被损坏。所以，在工业技术行业中，人们往往将PZT 压电陶瓷的最高使用温度界定在170℃左右，也就是说在200℃左右的环境温度中是无法应用的。因此寻找综合性能更佳，并且工作温度更高的压电材料一直是我们正在努力的方向。而当下，在特种高温环境下一直在应用压电单晶材料，这种材料生产工艺复杂、价格贵、压电性能较差，并且其抗极端冲击和振动性能也明显弱于压电陶瓷材料。所以，设计出具有高温度稳定性、低价、综合性能突出的高温压电陶瓷材料已成为压电材料研究热点和重点课题。

3.2 环境友好型压电陶瓷

压电陶瓷材料在工程中的应用越来越多、越来越重要，对于环境友好型压电陶瓷相关元器件和传感器的需求越来越多，所以对材料的稳定性等其他方面都有很高的要求

随着压电陶瓷材料应用的蓬勃发展，环境友好型压电陶瓷元器件及其传感器的应用越来越广泛需求，同时材料的稳定性及各方面的性能都是考虑的重点，市场对产品性能指标需要一直在提高，迫使其工艺也需要不断地改进，从而满足多方市场的不同需求。目前技术难点就是性能指标的调整，关键工艺的改进以及技术难题的突破。

高温压电陶瓷主要有4 种，分别为碱金属铌酸盐、钨青铜结构、钙钛矿结构、铋层状结构。他们的居里温度低于900℃，对于航空航天这类的超高温环境是无法应用的。当前，行业内工程师也在加强对超高居里温度的高性能的压电陶瓷材料的深入钻研，所以，研究具有超高居里温度和稳定性能优异的压电陶瓷材料也是当前的重要课题。

我国拥有不少的新型陶瓷企业，但是分布比较散，所以无法形成很好的产业集群，而且，受原料，技术以及设备多方面的制约，国内新型陶瓷正处于发展的瓶颈期，而许多传统陶瓷企业受国家产业升级政策的影响，产生向新型陶瓷领域转型的想法。