壓電材料行業(yè)發(fā)展前景分析 壓電材料行業(yè)發(fā)展現狀與應用場景分析

• 黃文玉 2023年1月5日 來源：互聯網 204 5
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壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。利用壓電材料的這些特性可實現機械振動(聲波)和交流電的互相轉換。

壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。壓電效應的機理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當受到外力作用發(fā)生形變時，晶胞中正負離子的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現異號電荷。反之，壓電材料在電場中發(fā)生極化時，會因電荷中心的位移導致材料變形。

利用壓電材料的這些特性可實現機械振動(聲波)和交流電的互相轉換。因而壓電材料廣泛用于傳感器元件中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測量元件以及電聲傳感器等。這類材料被廣泛運用，舉一個很生活化的例子，打火機的火花即運用此技術。

傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，它是單晶體，如石英晶體、酒石酸鉀鈉等;另一類是經過極化處理的壓電陶瓷，它是人工合成的多晶體，如鈦酸鋇等;第三類是有機壓電材料，是新型的壓電材料，如聚偏二氟乙烯等。

根據中研普華產業(yè)研究院發(fā)布的《2021-2026年中國壓電材料行業(yè)發(fā)展前景戰(zhàn)略及投資風險預測分析報告》顯示：

壓電材料可以因機械變形產生電場，也可以因電場作用產生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用。例如，壓電材料已被用來制作智能結構，此類結構除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應性和自修復性等功能，在未來的飛行器設計中占有重要的地位。

無機壓電材料，分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體一般是指壓電單晶體;壓電陶瓷則泛指壓電多晶體。壓電陶瓷是指用必要成份的原料進行混合、成型、高溫燒結，由粉粒之間的固相反應和燒結過程而獲得的微細晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷，實際上也是鐵電陶瓷。

有機壓電材料，又稱壓電聚合物，如聚偏氟乙烯(PVDF)(薄膜)及以它為代表的其他有機壓電(薄膜)材料。這類材料及其材質柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(g)等優(yōu)點為世人矚目，且發(fā)展十分迅速，水聲超聲測量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應用。

壓電材料行業(yè)發(fā)展現狀與應用場景分析

2021年全球壓電石英晶體元件市場銷售額達到31億美元，預計2028年將達到43億美元，CAGR將達到為4.3%。2017年國內壓電石英材料產量為953噸，到2020年產量上升至1082噸;2016年的需求量為1391噸，2020年為1544噸，國內需求量呈波動增加趨勢。

壓電材料的應用領域可以粗略分為兩大類：即振動能和超聲振動能-電能換能器應用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅動器應用。全球現在大概有40個國家從事傳感器的研制生產工作，研發(fā)、生產單位有5000余家，產品達20000多種。國內有1688家企事業(yè)從事傳感器的研制、生產和應用，其中從事MEMS研制生產的有50多家，但規(guī)模和應用領域都較小。

壓電陶瓷產業(yè)鏈下游主要應用于超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等。

以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料，尺寸已不能滿足需要了。減小粒徑至亞微米級，可以改進材料的加工性，可將基片做地更薄，可提高陣列頻率，降低換能器陣列的損耗，提高器件的機械強度，減小多層器件每層的厚度，從而降低驅動電壓，這對提高疊層變壓器、制動器都是有益的。減小粒徑有上述如此多的好處，但同時也帶來了降低壓電效應的影響。為了克服這種影響，人們更改了傳統(tǒng)的摻雜工藝，使細晶粒壓電陶瓷壓電效應增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當的水平。制作細晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。人們用細晶粒壓電陶瓷進行了切割研磨研究，并制作出了一些高頻換能器、微制動器及薄型蜂鳴器(瓷片20-30um厚)，證明了細晶粒壓電陶瓷的優(yōu)越性。隨著納米技術的發(fā)展，細晶粒壓電陶瓷材料研究和應用開發(fā)仍是熱點。

無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構成的壓電復合材料，兼?zhèn)錈o機和有機壓電材料的性能，并能產生兩相都沒有的特性。因此，可以根據需要，綜合二相材料的優(yōu)點，制作良好性能的換能器和傳感器。它的接收靈敏度很高，比普通壓電陶瓷更適合于水聲換能器。在其它超聲波換能器和傳感器方面，壓電復合材料也有較大優(yōu)勢。國內學者對這個領域也頗感興趣，做了大量的工藝研究，并在復合材料的結構和性能方面做了一些有益的基礎研究工作，正致力于壓電復合材料產品的開發(fā)。

傳統(tǒng)的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效應要強，從而得到了廣泛應用。但作為大應變，高能換能材料，傳統(tǒng)壓電陶瓷的壓電效應仍不能滿足要求。于是近幾年來，人們?yōu)榱搜芯砍鼍哂懈鼉?yōu)異壓電性的新壓電材料，做了大量工作，現已發(fā)現并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶(A=Zn2+,Mg2+)。

這類單晶的d33最高可達2600pc/N(壓電陶瓷d33最大為850pc/N),k33可高達0.95(壓電陶瓷K33最高達0.8)，其應變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應變高一個數量級。儲能密度高達130J/kg，而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內。鐵電壓電學者們稱這類材料的出現是壓電材料發(fā)展的又一次飛躍。美國、日本、俄羅斯和中國已開始進行這類材料的生產工藝研究，它的批量生產的成功必將帶來壓電材料應用的飛速發(fā)展。

從壓電陶瓷市場現狀來看，根據相關數據統(tǒng)計，，2020年全球壓電陶瓷技術市場規(guī)模達到了576億元，預計2026年將達到745億元，年復合增長率CAGR為3.7%。

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