压电材料种类多、用途广,在国内外材料领域备受关注

查荣荣

生物医药、节能环保、金属材料

  • 2019-08-30
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压电材料具有一定的条件反射以及指令分析能力,在智能材料系统具有广泛的应用前景。本文结合压电材料的种类及应用,重点分析了我国压电材料的发展现状。

摘要:压电材料具有一定的条件反射以及指令分析能力,在智能材料系统具有广泛的应用前景。本文结合压电材料的种类及应用,重点分析了我国压电材料的发展现状。

压电材料是具有压电效应材料的总称,属于具有特殊效应的新型复合材料。近年来,在化工、机械、医疗等领域的应用发展迅速,逐渐成为国际竞争的重要新技术新材料。同时,驰豫型铁电单晶、压电复合材料、高居里温度压电陶瓷、三元及多元系压电陶瓷、压电薄膜、细晶粒压电陶瓷、无铅压电陶瓷等均成为了国内外压电材料行业主要研发热点。

压电材料可分无机压电材料及有机压电材料,产品种类多

压电材料指在压力作用下,两端面间出现电压的晶体材料。根据材料的性能不同,一般分无机压电材料及有机压电材料两大类。其中,无机压电材料包括压电晶体及压电陶瓷。相比而言,压电晶体介电常数低、稳定性高、机械品质因子高,常见的有水晶、锗酸锂、镓酸锂等。压电陶瓷压电性能强、介电常数高、稳定性差、电损耗较大,常见的有钛酸钡BT、改性钛酸铅PT、锆钛酸铅PZT等。此外,压片陶瓷工艺较为复杂,生产过程中需完成配料、混合磨细、预烧、二次磨细、造粒、成形、排塑、烧结成瓷、外形加工、被电极、高压极化、老化测试等工艺,产品种类较多,包括分割电极方片、单面引线电极、分割电极等。有机压电材料又称压电聚合物,该类材料具有密度低、柔韧度高、阻抗力低、压电电压常数高等优势,在水声、超声、电声等领域应用较广。

表1 常见的压电材料分类

(资料来源:公开资料整理)

压电材料可用作能量转换器,国内外压电材料的应用不断取得突破

压电材料可将机械能转化为电能,常用于制造换能器,可以分为震动能—电能转换器和超声振动能—电能转换器两大类,包括水能换能器、电能换能器、超声换能器。此外,压电材料在传感器、驱动器、新能源技术上均有应用。换能器的应用,可应用工业生产麦克风、高频扬声器、立体声耳机等。压电材料用于压力传感器方面,可用于生产干式压力传感器。与普通传感器相比,整体性能有所提高,具体表现为反应速度快、滞后差、抗过载能力强、精度高、抗干扰能力强、耐温耐腐蚀强度大,为传感器行业技术水平迈进新的里程碑。新能源技术方面,美国开发了将压电材料应用生产压电发电鞋,推进了鞋子发电的创新应用。此外,在欧洲地区,将压电技术应用于路面或地板铺设中,车辆通过时可通过路面振动产生电能,该电能可提供至储能装置加以储存及利用。在我国,将压电材料用于发电公路的建设中处于发展阶段,西安交通大学发明的利用震动能量压电的方法已经取得初步进展。

表2 传统压力传感器与干式压力传感器性能对比

(资料来源:公开资料整理)

航空航天智能制造装备在产业升级中作用重大,国内涌现一大批高端制造装备企业

近年来,随着研究不断深入,压电材料的应用受到国内外企业的极大重视,被誉为21世纪最具应用潜能的材料之一。压电材料频响范围宽、精密度高,逐渐通过正逆压电效应实现智能控制。在我国,涌现了一大批压电材料研究机构及企业。天津大学及中国科学院上海硅酸盐研究所在对于压电材料的应用研究从未间断。此外,无锡市惠丰电子有限公司、中船重工海声科技有限公司、宝应县电子陶瓷厂等对于压电陶瓷用品的生产种类丰富,从压电陶瓷元件、压电陶瓷片到压电陶瓷频率器件瓷片。东莞市吉松泰钨钼材料有限公司、深圳市中科晶电子有限公司等对于压电晶体的研发生产投入力度不断加大,生产研发不同振频声表面波器件。

表3 我国压电传感器主要生产企业

(资料来源:公开资料整理)

结语

随着科技的不断进步,在机械、化工、医疗设备等领域对材料结构的要求不断提高。传统材料性能不能随着外部需求的改变而适当调整,压电材料凭借较高的智能控制能力,受到了广泛关注。根据不同的性能,压电材料种类较多,包括压电晶体、压电陶瓷、压电复合材料等。此外,压电材料可通过正逆压电效应实现智能控制,其应用在国内外不断取得进步。在我国,涌现出一大批技术过硬、研发能力强的研究机构及企业,例如天津大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、中船重工海声科技有限公司等。

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