壓電材料行業發展前景分析 壓電材料行業發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。

根據中研普華產業研究院發布的《2021-2026年中國壓電材料行業發展前景戰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)等優點為世人矚目，且發展十分迅速，水聲超聲測量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應用。

壓電材料行業發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、生產單位有5000余家，產品達20000多種。國內有1688家企事業從事傳感器的研制、生產和應用，其中從事MEMS研制生產的有50多家，但規模和應用領域都較小。

壓電陶瓷產業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越性。隨著納米技術的發展，細晶粒壓電陶瓷材料研究和應用開發仍是熱點。

無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構成的壓電復合材料，兼備無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。

傳統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，傳統壓電陶瓷的壓電效應仍不能滿足要求。于是近幾年來，人們為了研究出具有更優異壓電性的新壓電材料，做了大量工作，現已發現并研制出了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展。

從壓電陶瓷市場現狀來看，根據相關數據統計，，2020年全球壓電陶瓷技術市場規模達到了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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