突破两大技术难题 川大学子为此类电子产品绿色无铅化提供新思路

admin 2022-08-11 新闻中心 68 0
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  中国网8月11日讯(王李科)作为电能和机械能相互转换的关键载体,压电陶瓷材料在民用家电、超声医疗、航空航天等领域发挥着不可替代的作用。应用最多的压电陶瓷是以锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O3,PZT]为代表的铅基压电陶瓷,这些材料在制备、回收和废弃的过程中都会对环境,以及人类健康带来损害。近年来,尽管研究人员在无铅压电材料的研究中收获了一定成果,但仍未能在压电性能和温度稳定性两大关键性能上取得重大突破,阻碍其实际应用。同时,以高性能无铅材料为基础的相关器件研发也止步不前。8月11日,记者从四川大学获悉,历经多年攻关,四川大学材料科学与工程学院由本、硕、博各年级学子组成的“无铅压电材料与器件创新团队”突破了无铅压电材料研究中的两大技术难题,为此类电子产品绿色无铅化提供了新思路。

  记者在采访中了解到,该团队提出新型相界设计思路,革新了无铅压电陶瓷的性能优化技术,实现了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷压电性能的里程碑式突破(490-650 pC/N);并结合多层流延技术构建具有三明治结构的材料体系,实现了压电常数温度稳定性的大幅提升。“目前大规模商业化的压电陶瓷以含铅的PZT材料为主,其主要成分是氧化铅(含量高达60%以上)。但是氧化铅是一种易挥发的有毒物质,在生产、使用及固废处理过程中,都会给人体健康和生态环境造成极大危害。因此压电陶瓷无铅化已成为国际功能材料领域的重要科学前沿和技术竞争焦点。”四川大学材料科学与工程学院相关负责人告诉记者,该学生团队在指导教师吴家刚教授、朱建国教授以及蒋来明副研究员的指导下,基于迄今已有的多种新型无铅压电陶瓷的发展现状,立足于新型相界设计思路,通过对铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷实施特定的离子掺杂及含量调控,以实现材料压电性能和温度稳定性的不断优化。

  据该团队调研结果显示,压电陶瓷材料及器件的市场份额巨大,仅国内市值就高达千亿。其中,铅基压电陶瓷材料凭借优异的综合性能更是占据了近90%的份额。随着无铅化政策的持续推广和人们环保理念的不断增强,铅基材料将逐步退出全球市场,无铅压电陶瓷有望成为未来应用的主流材料。

  “目前,学生团队以第一作者在本领域国内外著名期刊发表SCI收录论文10余篇,已获得授权国家发明专利3项,2项正在申请中。”四川大学材料科学与工程学院相关负责人介绍道,同时,该团队自主设计并制备出了包括超声医疗探头、柔性超声能量采集器、蜂鸣器在内的一系列电声器件,有助于无铅压电材料的研发推广与商业化应用。“该项目已获得2022年‘挑战杯’四川省大学生创业计划竞赛省级金奖,并将继续备战国赛。”

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