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    壓電陶瓷是實現(xiàn)機電轉(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谩＃?）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)威機構(gòu)檢測達到國際先進水平。

    針對壓電陶瓷在高溫應用時的共性技術(shù)難題，從壓電陶瓷的高溫導電機理、熱退極化機理和多場耦合失效機理出發(fā)，通過組成設(shè)計改變材料中點缺陷狀態(tài)，進而影響其與載流子、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)、南京航空航天大學等科研院所成功應用于航空航天、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，項目承擔單位啟動了更為先進、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，并得到了應用單位中海油的認可，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水平，其中高溫電阻率達到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水平；發(fā)明的PZT壓電陶瓷強場介電損耗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)域國際知名學術(shù)期刊J. Am. Ceram. Soc.副主編、美國賓州州立大學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能適應空間特殊環(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，成功應用于“嫦娥三號”、長征運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。
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)裝機驗證，驗證成功形成銷售，供應商均選擇通過ISO9000質(zhì)量認證的企業(yè)，并獲得客戶的認可，形成產(chǎn)-學-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。希望進一步開拓海外市場。

    

    

    

本項目成果已成功應用于航空航天、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……各項指標均能很好的滿足儀器現(xiàn)場作業(yè)服務要求……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沼邢薰荆?
（2）“壓電陶瓷是超聲電機的核心部件……經(jīng)國內(nèi)調(diào)研和試用比較，采用中國科學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……超聲電機完全達到了設(shè)計要求，成功應用于“嫦娥三號”玉兔巡視器，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了超聲電機在航天工程中的應用，為“嫦娥三號”落月巡視任務的順利完成作出了重要貢獻。”(南京航空航天大學)
（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)裝機試驗，壓電換能器各項性能指標達到國際同類產(chǎn)品的先進水平。”（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)動機試用，表明傳感器各項技術(shù)指標均完全滿足發(fā)動機高溫振動傳感器的實際需要?！保ǔ啥紕P天電子股份有限公司）