无铅压电陶瓷研究进展：技术突破与产业升级路径

 

作者简介：科技自媒体优质创作者
个人主页：莱歌数字-CSDN博客
公众号：莱歌数字
个人微信：yanshanYH

211、985硕士，职场15年+

从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域

涵盖新能源车载与非车载系统、医疗设备软硬件、智能工厂等业务，带领团队进行多个0-1的产品开发，并推广到多个企业客户现场落地实施。

 专题课程

Flotherm电阻膜自冷散热设计（90分钟实操）

Flotherm通信电源风冷仿真教程（实操）

基于FloTHERM电池热仿真（瞬态分析）

基于Flotherm的逆变器风冷热设计（零基础到精通）实操

每日篇行业发展资讯，让大家更及时了解外面的世界。

更多资讯，请关注B站/公众号【莱歌数字】，有视频教程~~

1. 核心材料体系创新

定义：通过晶体结构设计与元素替代策略开发的无铅压电陶瓷体系，主要包括钛酸钡基、BNT基、铋层状结构、铌酸盐四大方向。

关键进展：

• BaTiO₃基：济南大学团队（2025）通过应力工程使Ba₀.₈₅Ca₀.₁₅Ti₀.₉Zr₀.₁O₃陶瓷的d₃₃（压电系数）突破650 pC/N，居里温度达96.5℃，创钛酸钡体系新纪录（Nature子刊成果）。
• BNT基：铋钠钛酸盐体系通过铜掺杂（广东以色列理工学院，2025）实现Qₘ（机械品质因数）提升300%，解决传统无铅陶瓷高功率场景下热损耗问题。
• 铋层状结构：中山大学团队（2025）通过Ce³⁺/Cr³⁺/Ta⁵⁺共掺杂，使Bi₄Ti₃O₁₂的d₃₃提升至37 pC/N，居里温度维持681℃，高温稳定性领先。

争议点：

• 性能取舍：BaTiO₃基高d₃₃但居里温度低（<100℃） vs. 铋层状高温稳定但压电系数弱（<50 pC/N）。

---

2. 性能优化技术路径

定义：通过物理/化学手段突破传统无铅陶瓷的性能天花板，核心策略包括应力工程、缺陷工程、复合相设计。

前沿技术：

• 应力工程：济南大学团队引入BaAl₂O₄第二相，利用热膨胀差异产生晶格畸变，同步提升d₃₃和TC（2025）。
• 缺陷偶极子调控：广以团队在KNN基陶瓷中嵌入Cu掺杂缺陷偶极子，实现d₃₃与Qₘ协同优化（Nature子刊）。
• 多离子共掺杂：中山大学团队通过A/B位共掺杂，使氧空位浓度降低60%，击穿场强提升2倍（2025）。

数据支撑：

• 应力工程使BCTZ陶瓷的d₃₃*（场致应变）达1070 pm/V，超传统PZT陶瓷（600-800 pm/V）。

---

3. 制备工艺升级

定义：从传统固相法向高精度可控工艺演进，解决无铅陶瓷晶界缺陷与成分偏析难题。

技术趋势：

• 低温烧结：溶胶-凝胶法（<1000℃）制备BNT基陶瓷，晶粒尺寸控制±50 nm（CSDN文库）。
• 织构化技术：熔盐法诱导铌酸钾钠（KNN）晶粒定向排列，压电响应提升40%（百度学术，2025）。
• 增材制造：3D打印钛酸钡基蜂窝结构陶瓷，能量收集效率较块体材料提升2.3倍（人人文库案例）。

争议点：

• 高精度工艺（如溶胶-凝胶法）成本达传统工艺3-5倍，制约产业化速度。

---

4. 应用场景与产业化挑战

定义：从实验室性能到商业落地的技术转化瓶颈。

突破领域：

• 高温传感：铋层状陶瓷（TC>600℃）用于航空发动机振动监测（清华出版社案例）。
• 医疗超声：BNT基多层陶瓷器件实现0.1μm级分辨率，对标PZT-5H（文档投稿案例）。

核心挑战：

• 成本：无铅陶瓷原料成本比PZT高20-50%（铋、铌价格波动）。
• 标准缺失：国际电工委员会（IEC）尚未建立无铅压电陶瓷性能评价体系。

---

推荐资源

1. 《Nature Communications》济南大学应力工程论文（2025）
   URL: 鏉愭枡瀛﹂櫌榄忔稕鍜岄儑瀹囧洟闃熷湪銆奛ature Communications銆嬪彂琛ㄦ棤閾呭帇鐢甸櫠鐡烽鍩熺獊鐮存�х爺绌舵垚鏋�-娴庡崡澶у鏉愭枡瀛﹂櫌
2. 广东以色列理工学院铜掺杂技术解析视频
   URL: 新材料！广以学者助力无铅压电陶瓷“硬核进化”_工业_in_通讯
3. CSDN文库《无铅压电陶瓷研究进展》技术综述
   URL: https://wenku.csdn.net/doc/q9zzcns5jd

---

智能总结（5要点）

1. 材料突破：钛酸钡基陶瓷压电系数首超PZT（d₃₃=650 pC/N），居里温度同步优化。
2. 技术杠杆：应力工程/缺陷工程成性能倍增器，解决传统体系性能互斥难题。
3. 工艺革命：3D打印陶瓷结构使能量收集效率翻倍，但成本仍是产业化瓶颈。
4. 应用卡位：高温传感（>600℃）、医疗超声成首批商业化突破口。
5. 标准真空：IEC标准缺失导致市场碎片化，头部企业加速专利布局。