Рынок пьезокерамики

Рынок пьезокерамики в настоящее время характеризуется широким использованием традиционных составов на основе цирконата титаната свинца (PZT) с незначительной, но важной долей составов на основе цирконата титаната свинца-лантана, метаниобата свинца, титаната бария, магнониобата и титаната свинца.Основными областями применения пьезокерамики остаются радиотехническая и телекоммуникационная промышленность, неразрушающий контроль (НРК) и диагностика, гидроакустика, технологический ультразвук, автомобильная промышленность, медицинская и бытовая техника.В рамках каждой из упомянутых отраслей промышленности существует постоянный стимул к разработке новых более эффективных, надежных и экологически безопасных материалов. Необходимость в новых материалах обусловлена все возрастающими требованиями к надежности систем и устройств, а также появлением новых областей применения.Рынок пьезоэлектрической керамики контролируется в основном компаниями США и Японии при небольшом, но важном присутствии европейских компаний и растущем присутствии компаний Кореи, Сингапура и Китая.Разнообразие применений затрудняет количественную оценку рынка пьезокерамики, тем не менее можно отметить, что рынок пьезокерамических компонентов в США в 1994 г. по самым скромным оценкам составлял 128 млн долл. при 10%-ном годовом росте. Японский рынок пьезокерамических компонентов существенно превышает 500 млн долл. в год.Рынок систем и устройств, основанных на пьезоэлектрической керамике, значительно больше, что и обусловливает важность этих материалов. Современный мировой рынок медицинских диагностических систем составляет более 4,5 млрд долл. в год, причем доля ультразвуковых преобразователей достигает 10-15%. Европейский рынок преобразователей для НРК составляет приблизительно 130 млн долл. в год (более 50% этого рынка занимают широкополосные преобразователи на основе метаниобата свинца). Мировой рынок гидроакустических устройств составляет в настоящее время 650 млн долл. в год, причем потенциальный рынок гидроакустических преобразователей составляет 90 млн долл. в год.За последнее десятилетие на рынке пьезокерамики произошли существенные изменения, явившиеся результатом длительных научно-исследовательских (R&D) и технологических усилий и связанные с промышленным освоением и коммерциализацией 1-3 композитных материалов, пьезокерамик и пьезокристаллов на основе релаксорных сегнетоэлектриков, а также с все более широким использованием керамик на основе метаниобата свинца и растущим интересом к бессвинцовым пьезокерамикам.Промышленное освоение 1-3 композитных материалов и их интенсивное использование в ультразвуковых преобразователях потребовало преодоления не только технологических проблем (замена малопроизводительного метода резки и заполнения методом литья под давлением [13]), но и психологической ломки традиционных представлений технологов и разработчиков керамических материалов и преобразователей. Чтобы отказаться от предшествующей тенденции к изготовлению высокоплотных и совершенных в химическом и структурном отношении керамических материалов и перейти к получению и использованию “несовершенных” низкоплотных и дефектных материалов (пористые керамики, керамики на основе метаниобата свинца, 1-3  омпозиты), потребовалось достаточно длительное время. Коммерциализация композитных материалов привела также к разработке новых концепций в конструировании ультразвуковых преобразователей, в качестве примера которых можно отметить HI-технологию силовых ультразвуковых преобразователей фирмы Imasonic (Франция) с использованием 1-3 композитных материалов.Рынок композитных материалов, к сожалению, пока весьма ограничен. Многие крупные компании, например, Krautkramer (Германия), Morgan Matroc Ltd. (Великобритания), Krautkramer Branson (США) активно используют эти материалы в собственных устройствах, но не предлагают на рынке.В настоящее время ряд компаний предлагают 1-3 композит в виде элементов или заготовок преобразователей по специальному заказу. Imasonic (Франция) наряду с готовыми преобразователями продает 1-3 композитные элементы для работы в частотном диапазоне от 250 кГц до 17 МГц. Blatek Inc. (США) предлагает 1-3 композитные пластины площадью до 2 кв. дюймов с рабочими частотами до 10 МГц. Высокая стоимость (более 100 долл. за стандартный элемент) и ограниченные поставки пластин объясняются использованием дорогостоящего и малопроизводительного метода резки и заполнения.Компания Materials Systems Inc. (США) предлагает широкий спектр пьезокомпозитных материалов со связностью 1-3, 0-3 и 2-2, выпускаемых под маркой SonoPanel™, которые предназначены для использования в гидроакустических и медицинских преобразователях, а также в актюаторах. Отличительной особенностью этих композитов является использование более производительного метода литья под давлением, допускающего относительно массовое изготовление композитных пластин размером до 25´25 см на частоты от 250 кГц до 10 МГц.Потребность в бессвинцовых пьезокерамиках определяется главным образом все большим осознанием экологических проблем. Однако сомнительно, что какая-либо новая пьезокерамическая система, не содержащая свинца, будет найдена в ближайшее время. Поэтому исследования в настоящее время концентрируются на известных материалах. Разработка бессвинцовых керамик на основе (Na,K)NbO3 и (Na,Li)NbO3 является предметом ряда европейских проектов [3,4]. Исследования по бессвинцовым пьезоэлектрикам, выполненные в университетах США [14] и Японии [15], позволили определить полезные пьезоэлектрические композиции в системе (Na1-xBix)TiO3 [15]. Другими кандидатами среди бессвинцовых систем являются перовскиты (Na,K)NbO3, слоистые висмутсодержащие соединения Bi4Ti3О12, SrBi2Nb2O9 и вольфрамовые бронзы (Sr,Ba)Nb2O6. Однако сомнительно, что керамики этих систем будут иметь пьезоэлектрические свойства, хотя бы близкие к свойствам PZT системы.Результаты опроса японских технологов, занятых в области исследования, разработки и изготовления электронной керамики, проведенного с целью предсказать будущие тенденции R&D [2], показали следующие результаты.Среди наиболее значительных недавних разработок в области пьезокерамики отмечены актюаторы, гироскопы, картриджи струйных принтеров, миниатюрные пьезоустройства и т.п. Среди материалов и методов получения отмечены пьезоэлектрики на основе скандата-ниобата свинца, монокристаллы с высокой электромеханической связью и гидротермальный метод синтеза. Упомянута также разработка бессвинцовых керамик, хотя эта область R&D находится в зародышевом состоянии. Большинство разработок, указанных в отзывах, вносят вклад в снижение стоимости изготовления, миниатюризацию компонентов, возможность создания новых или совершенствования существующих изделий, сбережение энергии, формирование экологического сознания.Среди перспективных применений пьезоэлектрической керамики указаны устройства сенсор/актюатор, пьезотрансформаторы, актюаторы для систем инжекции топлива, пьезоэлектрические гироскопы, дешевые пьезодвигатели, высокочастотные пьезоэлектрические резонаторы, пьезоустройства для контроля шума и вибрации. Большинство указанных применений требует разработки более дешевых и производительных методов синтеза и изготовления пьезокерамики, обеспечивающих лучшие характеристики и надежность по сравнению с существующими. Отмечается также растущая значимость экологических аспектов.В качестве наиболее значительной предполагаемой разработки в ближайшие 5-10 лет указаны дешевые методы изготовления многослойных пьезоэлектрических актюаторов, композитные преобразователи, дешевые методы их изготовления, производства композитных материалов, ультразвуковые актюаторы и миниатюрные электронные схемы для актюаторов. Отмечена также возрастающая роль совершенствования методов производства и контроля керамических материалов.Среди применений с уменьшающейся значимостью отмечены гидрофоны, биморфы и ультразвуковые моторы. Ожидается также постепенное снижение роли свинецсодержащих материалов.Основными экологическими факторами, влияющими на разработку и коммерциализацию новых материалов, по мнению респондентов, являются сокращение использования токсичных материалов (главным образом свинца, оксида свинца, а также висмута, кадмия и никеля), сохранение природных ресурсов, экологически чистых источников и сбережение энергии. Среди экономических факторов отмечены стоимость изготовления, миниатюризация, время и стоимость разработки, а также соответствие темпа разработок рыночным требованиям.Основными требованиями для коммерциализации новой продукции являются стоимость производства, согласования R&D с потребностями рынка, соотношение качество/цена, маркетинг, экологическое сознание, сокращение времени разработки, фундаментальные исследования, кооперация в исследованиях, миниатюризация, а также новые материалы, качество управления, патентование и новые концепции конструирования устройств.Перспективы применения пьезокерамикиСовременное производство пьезокерамики основано главным образом на PZT составах и использовании традиционных методов смешивания (шаровые мельницы) и синтеза. PZT составы приемлемы для большинства современных применений пьезокерамики от зуммеров, фильтров, зажигалок и ультразвуковых моек до буксируемых сонарных решеток, систем медицинской визуализации, картриджей струйных принтеров, затворов фотокамер, позиционеров для оптических систем, сенсоров и ультразвуковых преобразователей различного назначения.Технология многослойных пьезоэлектрических актюаторов была использована для некоторых массовых серийных автомобильных применений (системы впрыска топлива, системы подвески). Коммерциализация этих применений была ограничена трудностями достижения необходимых характеристик и надежности при приемлемой стоимости производства. По этой причине предыдущие предсказания аномального роста рынка пьезоэлектрических актюаторов оказались ошибочными и не материализовались. По-видимому, многослойная керамическая технология, обеспечивающая производство конденсаторов стоимостью несколько центов за штуку, не транслируется непосредственно на изготовление дешевых многослойных актюаторов.Несмотря на трудности снижения стоимости, необходимого для серийного производства, пьезокерамика продолжает находить новые применения в мелкосерийных специализированных применениях, где относительно высокая стоимость может быть приемлема. Примерами являются позиционирующие головки для магнитной записи, сканирующая тоннельная микроскопия, устройства считывания штрих-кодов, сенсоры для антиблокировочных систем торможения, тонерный сенсор для лазерных принтеров, ультразвуковое устройство для заживления костей. По-видимому, некоторые специализированные биомедицинские применения также способны воспринять высокую стоимость пьезокерамических материалов. Например, недавно полученные пьезоэлектрические монокристаллы могут быть использованы в новых поколениях ультразвуковых систем изображения.Перспектива разработки “интеллектуальных” материалов ,обеспечивающих одновременно функции сенсора и актюатора, также стимулировала разработку пьезоэлектрических, электрострикционных и других активных материалов. Одним из “интеллектуальных” применений пьезокерамики является система подвески автомобилей экстра-класса.Новые методы изготовленияЛитье под давлением было разработано в качестве дешевого метода изготовления композитов керамика-полиме. Предполагаемые применения включали решетки преобразователей для ультразвуковых систем визуализации и решетки преобразователь-актюатор для систем подавления вибрации. Более высокие рабочие частоты и, следовательно, меньшие характерные размеры требуются для повышения разрешающей способности ультразвуковых систем изображения. При уменьшении характерного размера до 50 мкм и ниже основным требованием при изготовлении становится механическая прочность.Использование новых методов синтеза и обработки для получения мелкозернистых микроструктур является плодотворным подходом для улучшения механических свойств при условии обеспечения эквивалентных пьезоэлектрических свойств.Миниатюрные пьезокерамические трансформаторы были разработаны на основе сегнетожестких керамик для дисплеев с плоским экраном и других применений, связанных с компьютерами. Потребность в массовом производстве пьезокерамических материалов с высокой механической добротностью и высокими возбуждающими напряжениями могут потребовать использования новых методов получения керамики.Методы химического синтеза были успешно использованы для получения конденсаторных диэлектриков и, несмотря на более высокую стоимость порошков, обеспечили значительные преимущества – получение более тонких слоев и возможность нанесения никелевых электродов. Гидротермальный синтез [28,29] и другие современные методы [30] также были предложены для получения пьезокерамики. Однако, несмотря на перспективу улучшения параметров и надежности, ни один из методов не вышел за рамки модельных оценочных этапов.Директивное внедрение бессвинцовых пьезоэлектрических керамик может потребовать значительных R&D для выбора подходящих пьезоэлектрических составов и разработки методов производства этих новых материалов [31]. Кроме того, разработчики систем будут вынуждены согласиться с малой пьезоэлектрической деформацией и сконцентрироваться на подходах, обеспечивающих увеличение деформаций. Примерами недавно коммерциализированных технологий увеличения деформаций являются актюаторы типа “rainbow” и “moomes”.Выводы и перспективыСуществуют значительные различия в структуре R&D в области электронной керамики в США и Японии В США большинство R&D финансируется правительством и ориентировано на удовлетворение конкретных военных потребностей. В Японии исследования электронной керамики практически полностью поддерживаются крупными промышленными компаниями и ориентированы на конкретную продукцию. В США активными заявителями патентов по электронной керамике являются университеты, предприятия малого бизнеса и правительственные лаборатории. В Японии патенты выдаются практически исключительно промышленным компаниям.Аномального роста применений многослойных пьезоэлектрических актюаторов и ультразвуковых двигателей не произошло вследствие трудностей в снижении стоимости изготовления при серийном производстве. Если дешевые методы производства пьезокерамических устройств не будут разработаны, этот рынок будет ограничен мелкосерийными специализированными применениями.Медицина и аэрокосмическая промышленность являются перспективными областями роста применения пьезокерамики, особенно в США. Пьезокерамика будет продолжать использоваться в диагностическом оборудовании и хирургических инструментах, где может быть воспринята относительно высокая стоимость, связанная с мелкосерийным производством специализированных пьезокерамических компонентов.Наблюдается растущее осознание экологических и энергетических проблем, связанных с электронной керамикой в Японии и Европе, но не в США Это может привести к смещению приоритетов для будущих R&D в области электронной керамики. Новые экологические правила могут привести к ограничению использования современных материалов (PZT пьезокерамик, свинецсодержащих релаксорных диэлектриков и т.п) и к разработке альтернативных материалов (бессвинцовых пьезоэлектриков, припоев и пр.). Также ожидается разработка экологически безопасных процессов изготовления керамик [6].Ожидается сокращение времени разработки пьезокерамических изделий при одновременном уменьшении ресурсов, доступных для R&D. Это потребует существенной концентрации ресурсов R&D для разработки конкретных изделий Возрастающий акцент на маркетинг и исследование рынка будет необходим для согласования ограниченных R&D ресурсов с рыночными потребностями. Оценки подтверждают, что пьезокерамика будет оставаться плодородной областью для будущих R&D.