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    壓電陶瓷是實現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換和耦合的一類極其重要的功能材料。隨著我國航空航天、能源和電子信息等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，對能夠在高溫下穩(wěn)定工作的壓電陶瓷需求越來越迫切。鈣鈦礦、鎢青銅、鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷是三類典型的壓電材料體系，具有不同的性能特點，可用于不同的高溫領(lǐng)域。隨著使用環(huán)境越來越苛刻，現(xiàn)有的壓電陶瓷已無法滿足高端裝備的使用要求，其面臨的共性技術(shù)挑戰(zhàn)是難以兼顧高壓電性能和高溫穩(wěn)定性。本項目在科技部“863”、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)計劃等支持下，開展了組成設(shè)計新方法研究和制備技術(shù)創(chuàng)新，經(jīng)過10多年的不懈努力，成功研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列高溫高穩(wěn)定壓電陶瓷。

    本項目發(fā)明了3項關(guān)鍵技術(shù)，主要發(fā)明點如下：（1）發(fā)明了基于調(diào)控載流子類型和濃度的組成設(shè)計方法，以及片狀顆粒粉體制備新技術(shù)，將鉍層狀CaBi4Ti4O15壓電陶瓷的壓電系數(shù)d33提高了一倍以上、d33變化率≤3%（室溫-480℃），高溫電阻率提高了兩個數(shù)量級，達(dá)到109((cm (@480℃)，解決了壓電陶瓷高溫電阻率低和壓電性能低的關(guān)鍵技術(shù)難題。（2）發(fā)明了A、B位復(fù)合取代組成設(shè)計方法及二次粉末合成技術(shù)，攻克了鎢青銅PbNb2O6壓電陶瓷致密化燒結(jié)的技術(shù)難題，實現(xiàn)了材料壓電性能、電阻率和燒結(jié)特性的協(xié)同優(yōu)化。研制出了具有超低機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（Qm=9）和優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性的PbNb2O6壓電陶瓷，使我國PbNb2O6壓電陶瓷真正實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。（3）發(fā)明了基于調(diào)控缺陷偶極子的組成設(shè)計方法及砂磨制粉結(jié)合通氧燒結(jié)技術(shù)，突破了鈣鈦礦Pb(Zr，Ti)O3壓電陶瓷穩(wěn)定使用溫度極限，獲得了一種強(qiáng)場介電損耗低（0.52%@400V/mm)、介電常數(shù)變化率僅為44.2%（20-200℃）、可在200℃穩(wěn)定使用的新型Pb(Zr，Ti)O3壓電陶瓷。
本項目申請中國發(fā)明專利18項，獲授權(quán)9項；在本領(lǐng)域國際重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文59篇。相關(guān)產(chǎn)品經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測達(dá)到國際先進(jìn)水平。

    針對壓電陶瓷在高溫應(yīng)用時的共性技術(shù)難題，從壓電陶瓷的高溫導(dǎo)電機(jī)理、熱退極化機(jī)理和多場耦合失效機(jī)理出發(fā)，通過組成設(shè)計改變材料中點缺陷狀態(tài)，進(jìn)而影響其與載流子、自發(fā)極化以及鐵電疇的相互作用，提高壓電活性和穩(wěn)定性；通過制備技術(shù)創(chuàng)新調(diào)控材料顯微結(jié)構(gòu)，提高致密度和電阻率，進(jìn)一步改善溫度穩(wěn)定性?；谝陨系难芯克悸?，本項目的材料配方設(shè)計和制備工藝都具有獨創(chuàng)性和不可復(fù)制性。

    項目研究成果已被中石油、中海油、美國哈里伯頓、通用電氣醫(yī)療系統(tǒng)等近二十家國內(nèi)外知名企業(yè)以及航天科技、中航工業(yè)、南京航空航天大學(xué)等科研院所成功應(yīng)用于航空航天、油氣勘探、醫(yī)療設(shè)備等高技術(shù)領(lǐng)域，新增產(chǎn)值78148.55萬元，極大的推動了我國測井儀器、醫(yī)療設(shè)備等高端裝備的自主創(chuàng)新和航空航天事業(yè)的發(fā)展，打破了國外對高端裝備及其關(guān)鍵部件的壟斷和技術(shù)壁壘，產(chǎn)生了巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

    在前期成功開發(fā)多極子陣列聲波測井儀、井周超聲成像測井儀、新一代數(shù)字聲波測井儀用壓電發(fā)射/接收器件的基礎(chǔ)上，為了有效開發(fā)海洋油氣資源，自2016年起，項目承擔(dān)單位啟動了更為先進(jìn)、技術(shù)難度更高、體量更大的海洋拖纜地震勘探壓電檢波器的研制。經(jīng)過兩年的攻關(guān)，解決了高穩(wěn)定、高靈敏壓電陶瓷的的組成設(shè)計與制備、壓電檢波器結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝與靈敏度關(guān)系、封裝與服役性關(guān)系、電聲性能表征等關(guān)鍵技術(shù)問題。目前，已完成了樣件制作，并得到了應(yīng)用單位中海油的認(rèn)可，簽訂了315萬元產(chǎn)品合同，并正在和中海油著手建立上海硅酸鹽所-中海油油氣勘探器件聯(lián)合實驗室。未來將重點研究壓電檢波器的海洋環(huán)境適應(yīng)性和可靠性以及產(chǎn)業(yè)化。

    本項目發(fā)明的鉍層狀CBT壓電陶瓷實現(xiàn)了壓電性能和高溫電阻率的協(xié)同提升，綜合性能居國際先進(jìn)水平，其中高溫電阻率達(dá)到1.0×109((cm，比目前國內(nèi)外公開報道的最高值提高近兩個數(shù)量級；發(fā)明的PbNb2O6壓電陶瓷具有超低的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（Qm=9）和較高的壓電性能，綜合性能居國際先進(jìn)水平；發(fā)明的PZT壓電陶瓷強(qiáng)場介電損耗tan(僅為0.52%（@400V/mm），介電常數(shù)變化率為44.2％（20-200℃），均為至今國內(nèi)外公開報道的最優(yōu)值。
本領(lǐng)域國際知名學(xué)術(shù)期刊J. Am. Ceram. Soc.副主編、美國賓州州立大學(xué)Shujun Zhang教授在其綜述文章“高溫傳感器用壓電材料”中指出，本項目研究成果 “進(jìn)一步提高了壓電活性，同時提高了電阻率，實現(xiàn)了良好極化率與高居里溫度之間的平衡”（J. Am. Ceram. Soc., 95, 1-26: 2011）。

    近年來，國內(nèi)中石油、中海油等石油公司為推動行業(yè)技術(shù)升級和實現(xiàn)油氣勘探國際化戰(zhàn)略，紛紛投入巨資，致力于研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端聲波測井儀器，但一直沒有得到突破，其主要技術(shù)瓶頸是其關(guān)鍵部件—壓電換能器的高溫穩(wěn)定性不能滿足應(yīng)用要求。本項目成功開發(fā)出能在高溫下穩(wěn)定工作的新型壓電陶瓷，并實現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，解決了制約我國高端聲波測井儀器自主研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)難題。在此基礎(chǔ)上，項目團(tuán)隊協(xié)助中石油、中海油等多家公司，成功研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端聲波測井儀器，改變了我國高端聲波測儀長期依賴進(jìn)口、受制于人的困境，提升了我國油氣勘探聲波測井儀器裝備的技術(shù)水平，為我國油氣勘探行業(yè)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，對于促進(jìn)我國油氣資源勘探、保障能源安全具有十分重要的戰(zhàn)略意義。此外，采用本項目成果制備的聲波測井儀器已經(jīng)在東南亞、中東、北美等海外油田批量投入使用，顯著增加了我國石油公司的海外競爭力。
隨著我國空間技術(shù)的飛速發(fā)展，載人航天和探月工程等多個重大專項都迫切要求超聲電機(jī)能適應(yīng)空間特殊環(huán)境，其中核心部件壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性是亟待攻關(guān)的技術(shù)瓶頸。本項目經(jīng)過10多年研發(fā)，成功研制了能在寬溫度穩(wěn)定工作的新型壓電陶瓷，經(jīng)受住了高低溫等惡劣環(huán)境試驗，成功應(yīng)用于“嫦娥三號”、長征運(yùn)載火箭和系列神舟飛船等，為我國航天事業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。
本項目成果極大的推動了我國油氣勘探測井儀器、醫(yī)療設(shè)備等高端裝備的自主創(chuàng)新和航空航天事業(yè)的發(fā)展，打破了國外對高端裝備及其關(guān)鍵部件的壟斷和技術(shù)壁壘，產(chǎn)生了顯著的社會效益。

    本項目研發(fā)成果均由上海硅酸鹽研究所獨立研發(fā)，研發(fā)成果由委托企業(yè)裝機(jī)驗證，驗證成功形成銷售，供應(yīng)商均選擇通過ISO9000質(zhì)量認(rèn)證的企業(yè)，并獲得客戶的認(rèn)可，形成產(chǎn)-學(xué)-研良性循環(huán)的體系。

    本項目研發(fā)成果均為企業(yè)委托研發(fā)，在國內(nèi)有明確的用戶和市場。希望進(jìn)一步開拓海外市場。

    

    

    

本項目成果已成功應(yīng)用于航空航天、油氣勘探、醫(yī)療設(shè)備等高技術(shù)領(lǐng)域，部分用戶評價如下：
（1）“經(jīng)充分調(diào)研和樣品試用后，本公司采用了中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研制的高溫壓電陶瓷元件及換能器。經(jīng)試驗證明，換能器性能優(yōu)異，高溫穩(wěn)定性優(yōu)良……各項指標(biāo)均能很好的滿足儀器現(xiàn)場作業(yè)服務(wù)要求……極大的推動了我國高端聲波測井裝備的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化?！保ㄖ泻Ｓ吞锓?wù)有限公司）
（2）“壓電陶瓷是超聲電機(jī)的核心部件……經(jīng)國內(nèi)調(diào)研和試用比較，采用中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研制的溫度穩(wěn)定性優(yōu)良的新型壓電陶瓷……超聲電機(jī)完全達(dá)到了設(shè)計要求，成功應(yīng)用于“嫦娥三號”玉兔巡視器，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了超聲電機(jī)在航天工程中的應(yīng)用，為“嫦娥三號”落月巡視任務(wù)的順利完成作出了重要貢獻(xiàn)?！?南京航空航天大學(xué))
（3）“本公司采用中科院上海硅酸鹽研究所自主研發(fā)的高穩(wěn)定鈦酸鉍鍶和鋯鈦酸鉛壓電陶瓷……為長征運(yùn)載火箭、神舟系列飛船等遙測系統(tǒng)壓電振動傳感器的定型批生產(chǎn)提供了重要保障。”（航天長征火箭技術(shù)有限公司）
（4）“本公司委托上海硅酸鹽研究所研制偏鈮酸鉛壓電換能器……經(jīng)裝機(jī)試驗，壓電換能器各項性能指標(biāo)達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。”（通用電氣醫(yī)療系統(tǒng)有限公司）
（5）“本公司在482℃高溫振動傳感器的研發(fā)過程中采用了中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研制的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料(CBT)。經(jīng)傳感器裝配及發(fā)動機(jī)試用，表明傳感器各項技術(shù)指標(biāo)均完全滿足發(fā)動機(jī)高溫振動傳感器的實際需要。”（成都凱天電子股份有限公司）