壓電陶瓷是一種能將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料。其中，鋯鈦酸鉛陶瓷簡稱PZT陶瓷，是一種二元固溶體，它呈現(xiàn)出ABO₃型的鈣鈦礦結構，是目前最好性能的壓電陶瓷材料體系。同時，通過調節(jié)鋯鈦比例和摻雜，鋯鈦酸鉛呈現(xiàn)不同性質而具有廣泛應用，但是目前國內仍然缺乏高性能壓電陶瓷，高端應用依賴于國外進口。而且其鉛含量在材料中的占比相對較高，在元件制造、加工、儲運及其廢棄物處理過程中，可能對人體和環(huán)境造成危害。因此探索高端壓電材料和無鉛材料實現(xiàn)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的需求增長，是近年來學術研究與工業(yè)開發(fā)的重要方向和熱點課題。

在CAC2023廣州先進陶瓷展上，以著名材料學專家，廣東以色列理工學院材料系的譚啟教授為團隊核心的拓米新材料技術（汕頭）有限公司展示了國產非PZT體系高端壓電材料技術取得的新突破。

拓米新材料項目負責人楊益鑫先生表示：“國內目前生產的壓電陶瓷材料還是以鋯鈦酸鉛（PZT）體系為主，不僅存在人們廣泛關注的環(huán)保問題，相關高性能器件也均依賴于進口。為了解決國內技術的卡脖子難題和響應減鉛的趨勢，我們團隊依托廣東以色列學院強大的科研實力和譚啟教授在美國工業(yè)界多年的工作經(jīng)驗，一直專注于壓電陶瓷的自主研發(fā)，不斷完善技術創(chuàng)新，經(jīng)過多年的發(fā)展和積累，研發(fā)出了多種非PZT體系的壓電陶瓷新配方，在質量、技術方面均實現(xiàn)較大突破?！边@些突破點具體可以總結為以下幾個方面——

1、材料配方和性質靈活可調

由于壓電陶瓷材料具有正逆壓電效應，即機械能和電能之間能夠互相轉換，其在壓電傳感器、驅動器、超聲換能器、壓電蜂鳴器和濾波器等器件中得到了廣泛的應用。可以說小到一個耳麥、倒車雷達，大到核潛艇、火箭都需要壓電陶瓷，但不同的產品對于壓電陶瓷的性能要求也不盡相同。據(jù)楊先生介紹，拓米新材料的研發(fā)的非PZT體系壓電陶瓷可根據(jù)客戶需求靈活調整原料配方，實現(xiàn)多個性質在寬廣范圍內變化：介電常數(shù)dk（1000-10000）、高壓電系數(shù)d33（300-1200pC/N）、高機電耦合系數(shù)（>60%）、寬居里溫度Tc（130-330℃）以及高機械品質因數(shù)Qm（300-1500）。

拓米新材料展示壓電陶瓷粉體新配方體系

2、低溫共燒壓電陶瓷技術

為了發(fā)揮壓電陶瓷的壓電性，壓電陶瓷元件兩級間需鍍上金屬電極來施加電壓。對于需要一體成型的多層片式壓電元件，加入高導電率金屬材料共燒是常用的解決方法，但金屬鉑、鈀等高導電金屬材料較貴、熔點較高，且過高的燒結溫度會使壓電陶瓷晶粒生長過大或組織結構不均勻，進而導致壓電陶瓷元件的壓電性能受到影響。因此拓米新材料研發(fā)了低溫共燒技術（LTCC）制備壓電陶瓷，通過增加燒結添加劑，降低陶瓷的燒結溫度，支持陶瓷與銀等高電導率材料共燒，形成一體的多層片式元件，可實現(xiàn)具有高度集成、小型化、可靠性高等特點。

LTCC技術流程

產品展示與應用領域

拓米新材料展出硬、軟壓電陶瓷

本次CAC展會上，拓米新材料展出了TH2000和TH2300硬壓電陶瓷，與傳統(tǒng)的PZT體系壓電陶瓷相比，其介電損耗更低，持續(xù)工作時產生的熱量小，壽命更長，在很高的電氣和機械應力下進行大功率能量轉化的同時，還能自身特性保持穩(wěn)定，主要在超聲波清洗、材料機加工（超聲波焊接、壓焊、鉆孔等）、超聲波處理器（如用于噴灑液體介質）、醫(yī)療領域（超聲波牙垢去除、手術器械等）和海洋聲納等方面有所應用。而TS4000、TS5700軟壓電陶瓷則可以通過靈敏感應外界極小的變化，甚至可以感應到十幾米外飛蟲拍打翅膀對空氣的擾動，并將極其微弱的機械振動轉換成電信號，應用領域包括促動器（用于電子顯微鏡、微納加工設備等精密設備中的機械控制）、振動探測器（例如用于空氣顆粒濃度檢測）、超聲波發(fā)射器和接收器等傳感器（例如用于醫(yī)學超聲成像）以及聲音傳感器、麥克風、樂器拾音器等電聲應用。在后續(xù)的研發(fā)中，公司還將研發(fā)無鉛壓電陶瓷，滿足客戶需求。

小結

拓米新材料目前的工作重心正在向產業(yè)化轉移，將研發(fā)成果轉化為商品，一方面支撐企業(yè)可持續(xù)性發(fā)展壯大，一方面打破國內卡脖子現(xiàn)狀，為國內相關領域器件性能升級提供堅強有力的支持！

粉體圈 整理

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