2023壓電材料行業(yè)發(fā)展前景及深度調(diào)研

• 黃文玉 2023年2月9日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 1105 71
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壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。壓電材料可以因機械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(chǎn)生機械變形，這種固有的機-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

壓電材料的概念

壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。壓電效應(yīng)的機理是：具有壓電性的晶體對稱性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時，晶胞中正負(fù)離子的相對位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強度在表面法向上的投影，所以壓電材料受壓力作用形變時兩端面會出現(xiàn)異號電荷。反之，壓電材料在電場中發(fā)生極化時，會因電荷中心的位移導(dǎo)致材料變形。

利用壓電材料的這些特性可實現(xiàn)機械振動(聲波)和交流電的互相轉(zhuǎn)換。因而壓電材料廣泛用于傳感器元件中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測量元件以及電聲傳感器等。這類材料被廣泛運用，舉一個很生活化的例子，打火機的火花即運用此技術(shù)。

根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2021-2025年中國壓電材料行業(yè)發(fā)展前景及深度調(diào)研分析報告》顯示：

傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，它是單晶體，如石英晶體、酒石酸鉀鈉等;另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，它是人工合成的多晶體，如鈦酸鋇等;第三類是有機壓電材料，是新型的壓電材料，如聚偏二氟乙烯等。

壓電晶體一般指壓電單晶體，是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結(jié)構(gòu)無對稱中心，因此具有壓電性。如水晶(石英晶體)、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應(yīng)用，但對高頻、高穩(wěn)定應(yīng)用不理想。

從產(chǎn)業(yè)鏈下游來看，石英能夠提供具有極高Q水平的諧振電子元件，用于濾波器和振蕩器，廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、測量領(lǐng)域、軍事、超聲等技術(shù)領(lǐng)域。

從全球市場規(guī)模來看，受益于濾波器市場不斷增長，全球壓電石英晶體元件市場銷售額保持穩(wěn)定增長態(tài)勢。數(shù)據(jù)顯示，2021年全球壓電石英晶體元件市場銷售額達到31億美元，預(yù)計2028年將達到43億美元，CAGR將達到為4.3%。2017年國內(nèi)壓電石英材料產(chǎn)量為953噸，到2020年產(chǎn)量上升至1082噸;2016年的需求量為1391噸，2020年為1544噸，國內(nèi)需求量呈波動增加趨勢。

從壓電陶瓷市場現(xiàn)狀來看，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020年全球壓電陶瓷技術(shù)市場規(guī)模達到了576億元，預(yù)計2026年將達到745億元，年復(fù)合增長率CAGR為3.7%。

壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域

壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域可以粗略分為兩大類：即振動能和超聲振動能-電能換能器應(yīng)用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅(qū)動器應(yīng)用。

壓電驅(qū)動器利用逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能或機械運動，聚合物驅(qū)動器主要以聚合物雙晶片作為基礎(chǔ)，包括利用橫向效應(yīng)和縱向效應(yīng)兩種方式，基于聚合物雙晶片開展的驅(qū)動器應(yīng)用研究包括顯示器件控制、微位移產(chǎn)生系統(tǒng)等。要使這些創(chuàng)造性設(shè)想獲得實際應(yīng)用，還需要進行大量研究。電子束輻照P(VDF-TrFE)共聚合物使該材料具備了產(chǎn)生大伸縮應(yīng)變的能力，從而為研制新型聚合物驅(qū)動器創(chuàng)造了有利條件。在潛在國防應(yīng)用前景的推動下，利用輻照改性共聚物制備全高分子材料水聲發(fā)射裝置的研究，在美國軍方的大力支持下正在系統(tǒng)地進行之中。除此之外，利用輻照改性共聚物的優(yōu)異特性，研究開發(fā)其在醫(yī)學(xué)超聲、減振降噪等領(lǐng)域應(yīng)用，還需要進行大量的探索。

壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)所制成的。壓電式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。由于壓電材料的電荷量是一定的，所以在連接時要特別注意，避免漏電。壓電式壓力傳感器的優(yōu)點是具有自生信號，輸出信號大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié)構(gòu)堅固。其缺點是只能用于動能測量。需要特殊電纜，在受到突然振動或過大壓力時，自我恢復(fù)較慢。

我國壓電材料行業(yè)集中度低，排名前三的企業(yè)合計市場份額占比僅為10%左右，大部分企業(yè)規(guī)模偏小，資金實力較弱，在研發(fā)、技術(shù)、人才等方面較為薄弱，以低端產(chǎn)品生產(chǎn)為主。天通股份是國內(nèi)壓電材料領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，2021年天通股份壓電晶體業(yè)務(wù)營收1.18億元，同比增長196.93%，業(yè)務(wù)毛利率為20.54%。

壓電材料行業(yè)發(fā)展前景

壓電材料可以因機械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(chǎn)生機械變形，這種固有的機-電耦合效應(yīng)使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，壓電材料已被用來制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)除具有自承載能力外,還具有自診斷性、自適應(yīng)性和自修復(fù)性等功能，在未來的飛行器設(shè)計中占有重要的地位。

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