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高溫壓電陶瓷：材料科學(xué)的新突破與應(yīng)用前景

發(fā)布時(shí)間:

2025-12-04

?當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷片時(shí)，隨著電壓和頻率的變化，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)壓電陶瓷振動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生電荷。利用這一原理，當(dāng)電信號(hào)被施加到由兩個(gè)壓電陶瓷片或一個(gè)壓電陶瓷和一個(gè)金屬片組成的振動(dòng)器時(shí)，這被稱(chēng)為雙壓電晶片元件，超聲波將由于彎曲振動(dòng)而發(fā)射。相反，當(dāng)超聲振動(dòng)施加到雙壓電晶片元件時(shí)，將產(chǎn)生電信號(hào)?；谏鲜龉δ?，壓電陶瓷可以用作超聲波傳感器。

壓電陶瓷概述

壓電陶瓷，這種多晶體材料，不僅具備壓電效應(yīng)，還能實(shí)現(xiàn) 機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)其受到外力作用時(shí)，能將機(jī)械能高效轉(zhuǎn)化為電能，這種特性使得壓電陶瓷在諸如壓電陶瓷打火機(jī)等應(yīng)用中大放異彩。同時(shí)，它也能將電能逆轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如超聲波換能器中的壓電陶瓷環(huán)，在口罩機(jī)上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

壓電陶瓷，作為電子陶瓷的重要分支，在現(xiàn)代光機(jī)電領(lǐng)域中占據(jù)著舉足輕重的地位。隨著電子光機(jī)電技術(shù)的迅猛發(fā)展，壓電陶瓷的應(yīng)用范圍正日益廣泛，同時(shí)也對(duì)壓電陶瓷元器件提出了更為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。特別是在高溫環(huán)境下工作的電子設(shè)備，對(duì)壓電材料的要求尤為嚴(yán)格，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先，材料應(yīng)具備較高的 居里溫度，以確保在高溫環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定的壓電性能。其次，材料需要在較寬的溫度范圍內(nèi)維持其壓電參數(shù)的穩(wěn)定性，從而保障設(shè)備的正常工作。

高溫環(huán)境下的挑戰(zhàn)

目前，科研人員正致力于開(kāi)發(fā)高居里溫度、高性能的壓電陶瓷材料，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的高溫應(yīng)用需求。同時(shí)，我們也需深入了解壓電陶瓷材料的居里溫度特性及其影響因素，以進(jìn)一步提升材料的性能。

高溫壓電陶瓷的發(fā)展

? 1.鈣鈦礦型高溫壓電陶瓷

當(dāng)前，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料正成為材料科學(xué)研究的焦點(diǎn)。這種復(fù)合金屬氧化物以其 獨(dú)特的立方晶系晶體結(jié)構(gòu)吸引著科研人員的目光。

早在1942年，美國(guó)和日本等國(guó)家就已發(fā)現(xiàn)了鈦酸鋇（BaTiO3）這種具有特殊鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體。值得注意的是，盡管鈦酸鋇陶瓷的居里溫度僅為120℃，遠(yuǎn)低于其燒結(jié)溫度1300℃，這一特性使得它在陶瓷領(lǐng)域具有獨(dú)特的地位。

另一方面，鈦酸鉛（PT）作為一種高居里溫度鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料，在純晶粒的冷卻過(guò)程中，其晶體結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)歷從立方相到四方相的轉(zhuǎn)變。然而，這一轉(zhuǎn)變過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力往往導(dǎo)致陶瓷碎裂，從而影響極化，使得鈦酸鉛的制備燒結(jié)變得困難。為了克服這一難題，通常需要加入適量的改性添加劑，以獲得性能出色的壓電陶瓷材料。

目前，鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷備受廣泛研究，被譽(yù)為極具發(fā)展?jié)摿Φ墓δ懿牧?。它常被用于制作各?lèi)電子元器件，且以其簡(jiǎn)單的制備工藝、易得的原材料以及低廉的價(jià)格著稱(chēng)。然而，其居里溫度僅為386℃，這一限制 使得PZT陶瓷在高溫環(huán)境下的應(yīng)用受到制約。為了突破這一局限，科學(xué)家們成功研制出新型BSPT陶瓷。相較其他壓電陶瓷，BSPT陶瓷的優(yōu)勢(shì)在于其不含鉛，這是追求環(huán)保的一個(gè)重要步驟。

? 2.鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷

該結(jié)構(gòu)材料具備出色的壓電性能，適合制造多種電子元件。鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷，作為一種環(huán)保且性能優(yōu)異的高溫壓電陶瓷材料，近年來(lái)備受矚目。其壓電性能的提升，成為了眾多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)，主要采用工藝改性和摻雜取代改性?xún)煞N途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。相較于傳統(tǒng)的PZT陶瓷，鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷在制造成壓電器件方面表現(xiàn)出色，廣泛應(yīng)用于濾波器、能量轉(zhuǎn)換以及高溫高頻等領(lǐng)域。

? 3.鎢青銅結(jié)構(gòu)壓電陶瓷

鎢青銅結(jié)構(gòu)壓電陶瓷，以其 高居里溫度、低介電常數(shù)以及顯著的各向異性，成為一種極具潛力的電光晶體材料。這種材料在全息存儲(chǔ)、集成光學(xué)以及光信號(hào)處理等多個(gè)領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用。其中，偏鈮酸鉛是早期被發(fā)現(xiàn)的一種鎢青銅型鐵電體材料，該材料展現(xiàn)出四方鎢青銅結(jié)構(gòu)，擁有高達(dá)570℃的居里溫度。

? 4.堿金屬鈮酸鹽壓電陶瓷

在20世紀(jì)40年代末，美國(guó)科學(xué)家成功合成了一種新型的堿金屬鈮酸鹽型化合物，即ANbO3。這種化合物 不僅展現(xiàn)出卓越的電學(xué)性能，還適用于高頻元器件的制備。因此，它被業(yè)界視為鉛基材料的潛在替代品。其中，鈮酸鋰（LiNbO3）作為該類(lèi)化合物中的一種，備受關(guān)注。

? 5.鈮酸鋰壓電陶瓷

在眾多堿金屬鈮酸鹽型化合物中，鈮酸鋰（LiNbO3）以其卓越的電學(xué)性能和多樣的應(yīng)用場(chǎng)景脫穎而出。它不僅 具有高達(dá)1210℃的居里溫度，還展現(xiàn)出壓電、鐵電、光電、熱電以及非線(xiàn)性光學(xué)等多重特性。因此，鈮酸鋰被廣泛應(yīng)用于制作壓電濾波器、高溫環(huán)境下的換能器等關(guān)鍵元器件。然而，鈮酸鋰壓電陶瓷的制備過(guò)程中，由于Li元素的易揮發(fā)性，常常面臨制備困難和燒結(jié)溫度范圍較窄的挑戰(zhàn)。

無(wú)鉛壓電陶瓷研究進(jìn)展

近年來(lái)，無(wú)鉛壓電陶瓷的研發(fā)取得了顯著進(jìn)展。其中，以鉍層狀結(jié)構(gòu)為代表的陶瓷材料備受矚目。這類(lèi)材料不僅具備優(yōu)異的壓電性能，還展現(xiàn)出高溫穩(wěn)定性，為環(huán)保型壓電元器件的制造提供了新的選擇。盡管其壓電和機(jī)電耦合性能尚待進(jìn)一步提升，但 已廣泛應(yīng)用于光電材料和高頻換能器等領(lǐng)域。

? 1.無(wú)鉛壓電陶瓷的應(yīng)用及未來(lái)

無(wú)鉛材料環(huán)保且穩(wěn)定性好，正逐漸取代傳統(tǒng)鉛基材料。高溫壓電陶瓷材料在新能源、核能、石油化工、地質(zhì)勘探、航空航天、汽車(chē)工業(yè)以及國(guó)防等領(lǐng)域，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，在航空航天領(lǐng)域，采用高溫壓電傳感器對(duì)飛行發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)翼等部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

高溫壓電陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域

? 1.新能源與核能領(lǐng)域

在新能源領(lǐng)域，高溫壓電陶瓷 在設(shè)備監(jiān)控中應(yīng)用廣泛。有助于監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

? 2.石油化工與探測(cè)

在石油化工與地質(zhì)勘探等領(lǐng)域，高溫壓電陶瓷材料被用于制造高溫環(huán)境下的傳感器，用于獲取溫度、密度、壓力及化學(xué)組成等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

? 3.交通與國(guó)防領(lǐng)域

在交通和國(guó)防領(lǐng)域，高溫壓電陶瓷在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和軍事設(shè)備中提供關(guān)鍵監(jiān)測(cè)功能，這對(duì)于提升設(shè)備的可靠性和安全性具有重要意義。

陶瓷行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展機(jī)遇

先進(jìn)陶瓷，作為國(guó)家重點(diǎn)扶持的新材料行業(yè)的一環(huán)，近年來(lái)呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展勢(shì)頭。 陶瓷行業(yè)因5G和新能源汽車(chē)的技術(shù)需求，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。其市場(chǎng)增長(zhǎng)主要體現(xiàn)在兩大領(lǐng)域：一是新興市場(chǎng)的崛起，如5G和新能源汽車(chē)的普及所引發(fā)的結(jié)構(gòu)陶瓷需求，包括陶瓷軸承、結(jié)構(gòu)件以及電子陶瓷等；二是國(guó)產(chǎn)替代的加速。

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壓電陶瓷：高新產(chǎn)業(yè)前沿材料，助力超精密領(lǐng)域發(fā)展

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