科创中国
高性能无铅压电材料设计与开发
成果类型：: 新技术
发布时间: 2023-08-15 16:47:42
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：内蒙古自治区包头市| 王永斌 | 2023-09-21 16:33:39
本项目研究主要集中在钛酸钡（简写 BT）基（包括 BHT-BCT、BZT-
BCT、BST-BCT 三种材料）高性能无铅压电陶瓷的设计与开发。技术上，突破了传统 BT 基无铅压电陶瓷长期受限于压电性能和温度稳定性的瓶颈，材料居里温度明显提高，整体压电性能远超市面上产业化较多的 KNN 基无铅压电陶瓷，部分指标与含铅压电陶瓷的性能指标相当。本项目生产成本存在巨大优势，无需采购专用设备，使用传统固相法即可大批量制备，材料采购费用仅为
KNN 基无铅压电材料的 1/9。项目团队设计研发的 BT 基无铅压电陶瓷在技术端实现突破，将 BT 基无铅压电陶瓷产业化变为可能。
现产业化的 KNN 基无铅压电陶瓷原材料价格较高且需要一定保存条件，陶瓷烧结条件严苛，需要采购专业设备。与之相比，BT 基无铅压电陶瓷原材料价格更低，不受空气湿度影响，对存储环境没有要求。设备不变的情况下，核算实验室生产厚度 1mm，直径 8mm 的 KNN 基无铅压电陶瓷片所需的化学药品原材料成本为 81 元/100g，BT 基无铅压电陶瓷片的材料成本为 9 元
/100g，仅为生产 KNN 基材料成本的 1/9，投产后项目材料成本还将继续降低。
压电材料是深入到现代社会各个层面的重要功能材料。5G 通信、个人语音助手、可穿戴设备、指纹识别和医疗设备都是压电器件的潜在热门应用。据麦姆斯咨询报道，2019 年全球压电器件市场规模为 1935 亿元人民币，预计 2024 年将增长至 3320 亿元人民币，2019 至 2024 年期间的复合年增长率为 11.4%。
国内多个研究团队已经证实无铅压电陶瓷可应用于超声测厚、测距、工业探伤、超声换能器、超声雾化器等领域。仅以超声雾化器领域为例，无铅压电陶瓷由于其安全性高，有望广泛应用于电子烟超声雾化芯、便携式医疗雾化器（大健康方向）以及厨房超声清洁等多种设备。
项目团队研发的 BT 基无铅压电陶瓷的原材料成本是 KNN 基无铅压电陶瓷的 1/9，兼顾设备因素、生产条件，未来无铅压电陶瓷全面推广后，保守估计 BT
基无铅压电陶瓷的市场份额在 80%以上。
本项目技术提供方为西安交通大学物理学院铁性功能材料研究课题组，负
责人周超副教授自 2004 年起，一直从事铁电压电功能材料的研究。2012 年，
周超副教授首次在国际上明确提出“triple-point morphotropic phase boundary”
（三相点型准同型相界）的概念，并据此设计与开发多种高性能压电材料。
2020 年，团队负责人周超副教授作为骨干成员入选陕西省科技创新团队。
项目团队依托的金属材料强度国家重点实验室、物质非平衡合成与调控教育部重点实验室以及陕西省先进功能材料及介观物理实验室，涵盖物理学和材料工程科学两个方向，提倡学科交叉、理工结合、产学研贯通，围绕先进铁电压电功能材料的高性能化及物理机制，持续开展实验研究和理论研究。
性能优势，突破传统 BT 基无铅压电陶瓷性能瓶颈，材料具有超高压电性
能和温度稳定性。项目团队研发的 BT 基无铅压电陶压电系数可达 530-620pC/ N，与含铅压电陶瓷指标相当，KNN 基无铅压电陶瓷仅为 350-390pC/N;15-70℃ 工况下，项目团队研发的 BT 基无铅压电陶压电系数保守估计不低于 400pC/N。项目材料相对介电常数为 2500-3000，而含铅压电陶瓷的相对介电常数为 1500-2000，KNN 基无铅压电陶瓷仅为 1000 左右。
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