高性能无铅压电材料设计与开发

（一）项目背景含铅压电陶瓷是当前市场主流产品，但因其主要成分氧化铅是一种有毒物质，在烧制过程中容易挥发，导致产品性能难以稳定控制，且生产过程对环境、人体危害较大。2003年前后，全球开始大范围限制含铅电子材料使用和进口。随着环保压力加剧，电子信息产业高速发展，世界各国势必加快禁铅脚步，已有相关企业提前进行无铅压电陶瓷产业布局。因此研发无铅压电陶瓷是当前压电陶瓷的研究热点之一。（二）项目内容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。（三）关键技术项目团队掌握高性能 BT 基无铅压电陶瓷粉体制造与烧结关键技术，所研制材料易于制备，工艺稳定性高。烧结工艺采用传统固相法不需要更换现有设备。高温烧结过程中，原料不易挥发，不需要附加保护气氛，可有效降低成本。本技术的优势在于： 1.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。 2.成本优势，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。（四）项目团队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。