压电陶瓷行业现状与主要应用领域

1 原理及发展

      压电陶瓷原理基于1880年居里兄弟发现电气石的压电效应，经历了石英的压电效应制成的水下超声探测器在潜艇的应用后，，二战中BaTiO3陶瓷的发现为压电材料及其应用取得划时代的进展。

(图片源于网络）

2 行业概况

      压电陶瓷属于电子陶瓷的一个分支，是利用压电效应实现电能与机械能相互转换的功能陶瓷。所谓压电效应是指某些介质在力的作用下产生形变，从而使介质表面带电，这是正压电效应，反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。科学家将这种奇妙的效应应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。

      压电陶瓷具有结构简单，便于制作小型化、高速度、低功耗、高可靠的元器件，在现代光机电产品中占有十分重要的地位,世界各国元器件生产企业都在压电陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。每年都有大量新型材料及元器件问世。近年来,在国家诸多重点科研计划的支持和推动下,我国在压电陶瓷材料及元器件的科学研究与产业化方面有很大发展,但总体来看,我国的电子信息产业,特别是一些附加值高、技术含量高的新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距,不少高端产品基本被国外的大公司控制，如德国爱普科斯(EPCOS)、PI公司，日本的村田、京都陶瓷，美国的摩根公司等近年来长驱直入中国市场，目前已占据了国内压电陶瓷器件，特别是新型高技术元器件市场相当大的份额，一些高端产品基本垄断了中国市场，严重影响了我国的技术进步及产业升级。随着电子光机电技术的高速发展，压电陶瓷的应用领域正在迅速拓宽，对压电陶瓷元器件提出了更高的要求。为了满足这些要求,世界各国的大学、研究机构和企业都在以信息技术为应用领域的功能陶瓷新材料、新工艺、新产品方面投入巨资进行研究开发。

3 压电陶瓷的行业应用

      压电陶瓷是高技术的新型无机非金属功能材料，随着材料及工艺的不断深入研究和改良，压电陶瓷技术的应用愈来愈广。压电材料作为机、电、声、光、热敏感材料，在传感器、执行器、换能器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用。随着高新技术的发展，压电陶瓷的应用必将越来越广阔。

基础材料是决定产品性能的关键因素。目前，耐高温、耐高压、高灵敏、低损耗压电陶瓷材料是受到全球同行业者的公认的研究发展方向，其中无铅压电陶瓷材料的研究虽不乏其人，但是尚未达到实用化的水平，短期内无法替代现有的含铅压电陶瓷。

      移动互联时代的到来，以及伴随着其终端设备小型超薄化、高可靠及低功耗的需求的出现，为压电陶瓷产品的应用发展提供了良好的契机。尤其是叠层型产品因其驱动电压低、性能表现优等特点，可制作成压电受话器、喇叭扬声器、手机背壳发声系统、屏振发声系统、MEMS 麦克风、压高频补偿换能片等替代传统产品，是移动通讯终端的最佳的选择。产品的更薄型化是未来的趋势。

      压电陶瓷器件不仅在工业和民用产品上用途十分广泛，在军事上也同样获得了大量的应用。如将压电陶瓷做成水声换能器，作为核潜艇的一双明亮的“眼睛”，可以顺利进行水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷等工作；用压电陶瓷做成的压电引信，可以精确引燃引爆破甲弹等杀伤性武器；压电微位移致动器在精密定位系统是不可缺少的关键元件；再如压电陶瓷制作的压电陀螺，是航空航天不可或缺的“舵手”等等。

压电陶瓷的用途非常广泛，下面列举一些主要的应用说明如下：

（1）电声换能器

      电声换能器主要用于各类报警器、骨传导送话器、受话器、压电喇叭等。

      报警器可用于各类家电的报警、烟雾报警、汽车防盗报警、消防、个人安全报警等；骨传导送话器是将人说话时耳骨的振动的语音信号转换成电信号，从而将语音信号传输到接收端的新一代抗噪声送话器，目前日本已有该类蓝牙耳机；压电受话器及喇叭具有超薄、低功耗等特性。

      用于一般报警器的电声换能器还没替代产品，还是具有很大的市场，而高声压报警器在特殊环境的报警将有较大增量；随着手提终端向超薄及低功耗发展，压电受话器及喇叭将成为手提终端的最佳的选择，具有很好的市场前景。

（2）超声换能器

      超声换能器适用于超声马达、超声雾化、声波雷达、超声波清洗、超声焊接、超声美容、超声加工、超声育种、遥测遥控、交通监测、测距、检漏、流量及热量检测、机器人成像信息采集等。

      超声波换能器目前无替代产品，其应用市场正在稳固发展，特别是北方供暖将实行计量收费，因此热量传感器将有很大的市场。

（3）水声换能器

      在海战中，最难对付的是潜艇，它能长期在海下潜航，神不知鬼不觉地偷袭港口、舰艇，使敌方大伤脑筋。如何寻找敌潜艇？靠眼睛不行，用雷达也不行，因为电磁波在海水里会急剧衰减，不能有效地传递信号，探测潜艇靠的是声纳-----水下耳朵。压电陶瓷就是制造声纳的材料，它发出超声波，遇到潜艇便反射回来，被接收后经过处理，就可测出敌方潜艇的方位、距离等。这是国防技术不可缺少的应用，其发展在于增加发射功率及提高接受灵敏度，使探测距离得到充分提高。

（4）压电减振系统

      压电减振系统可分为被动减振与主动减振。被动减振是在压电陶瓷表面制备一层电阻膜，压电陶瓷将振动或噪声转换成电能，电流通过电阻膜转换成热能，热能通过导热器导出而起到减振及降噪的作用；主动减振是将压电陶瓷复合在需减振的物体上，将其振动波形转换成相应的电压信号，通过相位调整及放大加到耦合在振动件上的换能器做反向振动，从而抑制振动，达到减振的目的。这类应用目前应用不多，大部分还在试验阶段，如电脑降噪及一些军用装置需要的减振系统等，将有很好的市场前景。

（5）压电致动元件

      压电陶瓷致动元件分单片横向伸缩型、弯曲型、厚度叠层型、横向叠层型、管型、钹型等，广泛用于航空航天、共轨喷油器、高速智能阀门、纳米定位、精微加工、激光陀螺微位移补偿系统、变形镜的形变控制、硬盘驱动器(磁头定位)、光学仪器(光轴调整、焦点调整)、压电泵、针织提花系统、盲人阅读器等。压电致动元件技术难度大，目前国际上只有少数公司能做，中国起步较缓，目前电脑提花针织机已大量应用压电致动元件，纳米定位平台及精微加工的微进给系统日趋成熟，攀特电陶已成为能制造全系列压电致动元件的厂商之一，且国内的应用正在逐步形成，预计未来能够形成较大市场。

（6）压电能量采集

      压电发电毯（日本已将压电发电毯用于地铁显示牌的供电）、压电发电鞋（在鞋底放置压电能量采集装置，行走时发电，可用于电池充电及鞋体发热等）、肌肉发电（植入体内电子装置的供电）、混合动力及全电力汽车振动能量采集（既能提升减振效果，又能延长将采集的电能馈入电池节能）、海浪发电等。压电陶瓷能量采集器用于生物电子装置的永久电源，该项目已见报道，国内也有研究机构开始研究，这将使植入用电装置的病人免于换电池的痛苦；汽车振动能量的回收也将成为全电力及混合动力汽车不可缺少的部件；我国有很长的海岸线，海浪发电也将成为最洁净且成本较低的新型能源。

（7）压电频率器件

      利用压电陶瓷的谐振特性制成的谐振器、滤波器、陷波器等，用于频率信号的产生与处理，该类产品曾经是压电陶瓷需求最大的领域之一，但由于数字电路的普遍应用，滤波器等频率处理器件快速减少，所以其市场处于快速萎缩阶段。

（8）压电变压器

      压电变压器主要用于小电流，高电压电源。当初研发的主要应用对象是笔记本电脑等液晶显示器的背光源电源，但现在大多数已使用 LED 背光源，不再需要高压低电流电源，所以现在只有部分小型电警棍及负离子发生器使用，暂时没有大的应用市场。

（9）压电引爆引燃元件

      反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。现在煤气灶及打火机，也是利用压电陶瓷制成的，只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用 100 万次以上。引爆引燃元件目前还没更好的替代产品，应用市场稳中有升。

文章来源：普华有策、电介质Dielectrics。