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(xiàn)狀與應(yīng)用場景分析

• 黃文玉 2023年1月5日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 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(xiàn)電壓的晶體材料。利用壓電材料的這些特性可實現(xiàn)機械振動(聲波)和交流電的互相轉(zhuǎn)換。

壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。壓電效應(yīng)的機理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時，晶胞中正負(fù)離子的相對位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)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(xiàn)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(dǎo)致材料變形。

利用壓電材料的這些特性可實現(xiàn)機械振動(聲波)和交流電的互相轉(zhuǎn)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(shù)。

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(jīng)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(jù)中研普華產(chǎn)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(fēng)險預(yù)測分析報告》顯示：

壓電材料可以因機械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(chǎn)生機械變形，這種固有的機-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來的飛行器設(shè)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?zé)Y(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微細(xì)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(zhì)柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)(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(yīng)用。

壓電材料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)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(yù)計2028年將達到43億美元，CAGR將達到為4.3%。2017年國內(nèi)壓電石英材料產(chǎn)量為953噸，到2020年產(chǎn)量上升至1082噸;2016年的需求量為1391噸，2020年為1544噸，國內(nèi)需求量呈波動增加趨勢。

壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(qū)動器應(yīng)用。全球現(xiàn)在大概有40個國家從事傳感器的研制生產(chǎn)工作，研發(fā)、生產(chǎn)單位有5000余家，產(chǎn)品達20000多種。國內(nèi)有1688家企事業(yè)從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，其中從事MEMS研制生產(chǎn)的有50多家，但規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域都較小。

壓電陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈下游主要應(yīng)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(qū)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(yīng)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(xì)晶粒壓電陶瓷壓電效應(yīng)增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當(dāng)?shù)乃健Ｖ谱骷?xì)晶粒材料的成本已可與普通陶瓷競爭了。人們用細(xì)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(xì)晶粒壓電陶瓷的優(yōu)越性。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，細(xì)晶粒壓電陶瓷材料研究和應(yīng)用開發(fā)仍是熱點。

無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構(gòu)成的壓電復(fù)合材料，兼?zhèn)錈o機和有機壓電材料的性能，并能產(chǎn)生兩相都沒有的特性。因此，可以根據(jù)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(fù)合材料也有較大優(yōu)勢。國內(nèi)學(xué)者對這個領(lǐng)域也頗感興趣，做了大量的工藝研究，并在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能方面做了一些有益的基礎(chǔ)研究工作，正致力于壓電復(fù)合材料產(chǎn)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(yīng)要強，從而得到了廣泛應(yīng)用。但作為大應(yīng)變，高能換能材料，傳統(tǒng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)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(xiàn)已發(fā)現(xiàn)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(yīng)變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應(yīng)變高一個數(shù)量級。儲能密度高達130J/kg，而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內(nèi)。鐵電壓電學(xué)者們稱這類材料的出現(xiàn)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(chǎn)工藝研究，它的批量生產(chǎn)的成功必將帶來壓電材料應(yīng)用的飛速發(fā)展。

從壓電陶瓷市場現(xiàn)狀來看，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，，2020年全球壓電陶瓷技術(shù)市場規(guī)模達到了576億元，預(yù)計2026年將達到745億元，年復(fù)合增長率CAGR為3.7%。

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