牢牢把握住发展的主动权

——访无铅铁电压电陶瓷的多层次结构与性能调控项目负责人李敬锋教授

2020-07-08 15:14:51

2013年,在材料领域权威期刊Journal of the American Ceramic Society上发表的一篇综述性文章引发了全世界的关注,并被欧盟RoHS 2.0版法规咨询报告作为评价无铅压电陶瓷研究进展的依据引用,这是唯一一篇中国学者的论文作为“压电陶瓷”部分被引用的论文。

论文的作者就是清华大学陶瓷重点实验室研究小组负责人李敬锋教授。2002年,他从日本东北大学回国,建立了该研究小组,将无铅压电陶瓷定为研究方向,持续开展相关研究。历时16年,研究小组成功研制出了基于无铅压电陶瓷材料的高频超声换能器和单反相机用超声马达等原型器件,确立了无铅压电陶瓷粉末流延成型技术,推动了铁电压电陶瓷无铅化的进程。

 

中国要有话语权

铁电压电陶瓷材料广泛应用于电子信息、医疗健康、人工智能等领域,用于制作滤波器、谐振器、驱动器、传感器、换能器等关键电子器件。

据李敬锋教授介绍,目前使用的代表性压电陶瓷材料的主要成分是锆钛酸铅,其分子式为Pb(Zr,Ti)O3,简称PZT。这种含铅压电陶瓷在制备、使用、回收和废弃的过程中都会给环境和人类带来危害。因此,自2003年开始各国政府在电气电子产业推出了一系列无铅化的法律性规定。2003年欧盟颁布《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》(RoHS)。我国信息产业部于2006年出台《电子信息产品生产污染防治管理办法》,并于2007年3月1日起生效。

在这一背景下,发达国家在政府主导和产业界扶持下,纷纷投入大量人力财力进行高性能无铅铁电压电材料的研发。

目前,发达国家在无铅压电材料研究方面已取得许多进展,如欧盟曾组织数十个国家参加“POLECER”研究集团;日本的大学、研究机构及企业协同攻关,在钛酸钡(BT)、钛酸铋钠(NBT)、铌酸钾钠(KNN)等陶瓷的基础研究方面获重要进展。

在世界范围内,随着无铅压电陶瓷材料的快速发展,器件应用已逐渐兴起,国际产业巨头均已崭露头角。例如,日本的柯尼卡美能达和东芝公司分别于2008年和2012年开发了基于KNN基无铅压电陶瓷的喷墨打印喷头。TDK公司申请了一系列基于无铅压电陶瓷驱动器件的专利,可应用于硬盘驱动、喷墨打印等领域。韩国的Kyungwon公司与日本的NGK公司均报道了基于KNN陶瓷的用于汽车发动机状态监控的爆震传感器。德国的PI、丹麦的Noliac和日本的Taiyou Yuden公司也推出了基于KNN或NBT材料的无铅多层陶瓷驱动器。

环境友好型无铅压电材料将在部分领域逐渐替代铅基压电材料。因此,2017年8月,欧盟出台RoHS 2.0版指令,规定2021年欧盟市场将不再豁免部分铅基压电产品。

李敬锋教授常年关注研究这一领域,深知,高校、研究所是国内无铅压电材料的研究主体,企业在无铅压电材料研发方面的参与度与投入度相对较低。究其原因,是因为我国目前在无铅压电材料的研究更偏重于基础研究、可实用化的无铅压电材料较少等。此外,我国压电材料与器件产业的显著特点是相关企业数量较多,但企业规模较小、研发能力及竞争力不足。

但是当前我国又是含铅压电产品的生产与使用大国,2021年欧盟市场将不再豁免部分铅基压电产品,如果不能在这之前及时把握压电材料及器件的行业发展、升级,一旦国外主导制定了无铅压电材料及器件领域的国际标准,将改变目前的行业格局,并使我国处于极为被动的地位。

李敬锋教授及其团队深感责任重大,从成立之初他们就怀着科技报国之心,不能让别人牵着鼻子走,中国要在这个行业里有话语权的决心早已深深埋在他们心中。

 

攻克技术难关 打破技术壁垒  

行业里的人都知道,压电性能偏低、温度稳定性较差一直是制约无铅压电材料实际应用的瓶颈。

针对压电性能偏低这一问题,李敬锋教授团队通过多尺度特征功能单元的调控实现了无铅铁电压电陶瓷电学性能的大幅度提升,KNN基陶瓷的室温逆压电常数(压电材料的关键特征参数)达到475 pm/V,可与商用铅基压电陶瓷相媲美,并优于国内外同类研究的相关数据;通过缺陷调控将Li掺杂KNN无铅陶瓷的压电常数提高至324 pC/N,该数值目前仍然是同成分材料体系中的最高水平。

针对温度稳定性较差这一问题,李敬锋教授团队提出了电场调控铁电-铁电相变弥散程度的新思路,实现了无铅陶瓷压电性能及其温度稳定性的协同调控。KNN陶瓷的场致应变在室温至175 oC范围内变化率小于10%,优于顶级期刊Nature上报道的KNN基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、甚至PZT含铅陶瓷。

基于这些研究成果和关键科学问题,李敬锋教授带领着他的团队在国际上率先开展通过多层次结构调控增强铁电压电性能的研究,揭示了影响无铅铁电压电材料综合性能的关键因素并探究了其内在物理机制,研制出具有优异铁电压电性能与良好温度稳定性的无铅陶瓷材料,并开发了基于无铅铁电压电材料的原型器件,引起了国内外的广泛关注。

 

项目成果实用化见成效

“我们希望通过不懈的努力奋斗,为改变无铅压电材料及器件的行业现状贡献一份力量。”这是李敬锋教授和他的团队常常说的一句话。

自2002年起,团队专注研究无铅压电陶瓷领域。除了解决材料本身的关键科学问题,团队近年来在项目成果实用化方面也取得了很大的进展。

据李敬锋教授介绍,团队成员主持或参与了一系列无铅压电陶瓷应用研究的课题,积累了相关经验。例如,团队核心成员作为项目负责人主持2019年山东省发展和改革委员会新旧动能转换重大课题攻关“高性能环保无铅压电陶瓷电子器件材料研发及应用”(经费总额1000万元)。在消费电子领域,2015年团队与韩国HanaUtech公司合作开发了基于KNN基无铅压电陶瓷的大尺寸环形超声波马达,用于单反相机镜头的快速对焦。另外,团队还实现了无铅压电陶瓷粉末的大批量、规模化制备,该部分工作已得到国内某上市公司的支持开展产业化应用。另外,基于本项目,成立了“产学研”发展转化的高科技企业,项目成果技术转化与应用推广取得进展,填补了国内在无铅压电材料及其应用领域的空白。

接下来,李敬锋教授将带领他的团队继续研发有竞争力的无铅压电材料及器件,避免关键技术和重要元器件等领域出现“卡脖子”问题,进一步加快高性能无铅压电陶瓷及器件的研发进程,积极牵头或参与制定无铅压电材料及器件领域的国际标准,并着力于无铅压电材料应用的推广。


中国建材报记者:张亚楠

责编:喻悦 张子豫

校对:张健

监审:韩凤凤