【技術開發單位】中國科學院上海硅酸鹽研究所

　　【技術簡介】隨著現代YLSN系統的不斷改進和升級，為了提高發射功率密度，增加可靠穩定工作時間，提高SN探測能力和精度，水聲換能器所承受的大功率及穩定性考驗越來越苛刻，傳統的收發兩用壓電陶瓷材料已經很難滿足應用要求，由于涉及軍事機密和國防安全，國外研究機構對我國進行嚴格技術封鎖，從1996年開始，上海硅酸鹽研究所開始承擔為XX工程“XX”型號任務配套的材料研制任務。經過近七年的技術攻關，突破了兼具高靈敏度和大功率發射特性的低損耗“收/發”兩用型壓電陶瓷的組成設計和制備工藝，成功研制出“XX”及”XX”兩種能夠原位替代俄羅斯產品的壓電陶瓷（已授權兩項國防發明專利），具有高穩定、體積密度低、收發兩用、耐受電功率能力強的突出特點。自2003年9月，兩種壓電陶瓷元件產品在上海硅酸鹽研究所壓電陶瓷生產線定點批生產，至今一直持續、穩定地提供批量產品，已累計供貨XX萬件，完全實現了我國重點WQXH關鍵配套材料的國產化和批量生產。從2007年開始，上海硅酸鹽研究所開始承擔為“XXXXX”K-KDD配套的材料研制任務，成功研制了具備高靈敏度和快速響應特性的接收型壓電陶瓷材料。這些技術突破和工作積累為低損耗功率型壓電陶瓷、高接收靈敏度、高溫度穩定性壓電陶瓷的研制提供了核心技術和堅實基礎。
　　從上世紀90年代開始，我國石油勘探開發區域中復雜和隱蔽巖性油氣藏占整個油氣資源的60%，勘探難度越來越大，運用高端聲波測井儀器提升石油資源探測能力越來越受到重視。高性能和高穩定壓電換能器是先進聲波測井儀器制造的瓶頸。上海硅酸鹽研究所自2007年起針對國家急需研制能滿足復雜勘探條件的聲波測井換能器。聲波測井用壓電陶瓷與常規壓電陶瓷相比，有其自身特殊性，一是在高溫高壓條件下性能穩定，這樣才能保證換能器適應油井的高溫高壓環境，其次在此環境下需要保持高的發射功率、靈敏度、頻率一致性等等，這樣才能滿足良好的測量精度與測量效率要求。因此，生產多種規格（環形、大尺寸）、多種性能（適應聲波發射和聲波接收特性）的壓電陶瓷材料是生產高性能聲波換能器的關鍵。正是過去多年里承擔了配套項目，在大功率、高靈敏壓電陶瓷材料的組成設計、異形陶瓷元件制備、切向極化工藝、等靜壓成型及氣氛燒成、陶瓷元件的批量化制備工藝等方面積累了豐富研究經驗及技術成果，大大加快了研發周期，使得高溫高壓聲波測井換能器在不到1年內研制成功，并配合中海油、中石油成功研制具有國際先進水平的高端聲波測井儀器，在2年內實現了批產并成功投向市場。目前已經用于制造多級子聲波測井儀器，新一代數字聲波測井儀器及聲成像測井儀器三類高端聲波測井儀，實現了近億元的產值，更為重要的是突破了國外對于高端聲波測井技術的封鎖，帶動了整個高端聲波測井裝備行業的發展，對于有效勘探開發深部復雜油氣資源，緩解我國能源短缺等都具有總要意義。
　　經過幾年的研究開發，在大功率、高靈敏、高穩定壓電陶瓷材料的基礎研究、制備等方面取得了具有國際先進水平或領先水平的一系列重大創新性研究成果：
　　（1）依據結構相容原理，通過設計Pb(Zr,Ti)O3-ABO3三元體系配方，探索更易實現阻抗匹配更適用于水聲換能器領域的新型低體積密度、高頻率常數的鈣鈦礦型鐵電材料體系，最終獲得了體積密度只有7.1g/cm3，頻率常數高達2400 Hz?m左右的三元系陶瓷材料。
　　（2）通過特定等靜壓成型技術及控制燒結工藝條件，獲得了滿足實際應用要求的Φ120*13.5 mm尺寸的壓電陶瓷元件，避免了大尺寸壓電陶瓷容易開裂現象，解決了大尺寸壓電陶瓷的制備難題。
　　（3）通過人為制造偶極子缺陷，獲得了弱場介電損耗為0.2%，強場（400V/mm）介電損耗為0.6%，機械品質因素為1900，壓電系數為255的壓電陶瓷，該材料能承受較強的功率密度，在大功率收發兩用水聲換能器材料方面極具應用前景。
　　綜上，通過配方設計和工藝改進，獲得了兼具高接收靈敏度和發射功率，高溫度穩定性的壓電陶瓷材料，材料性能等同甚至超過國外同類產品。

　　【技術特點】1、通過新型Pb(Zr,Ti)O3-ABO3三元系新型鈣鈦礦結構鐵電材料的配方設計，有效的降低了材料的體積密度（7.1g/cm3）及提高了材料的頻率常數（2400Hz·m）使其更適合作為水聲換能器材料，明顯優于Morgan Electro ceramics P4（ρ=7.6 g/cm2，Np=2120）及CeramicTec SonoxP8（ρ=7.7g/cm2，Np=2280）等公布的材料性能。
　　2、大尺寸壓電陶瓷的制備一直是材料制備的技術難題，成型、加工和燒結工藝需要嚴格控制，一旦控制不好容易引起壓電陶瓷元件開裂，因此目前國內許多廠家還沒有生產大尺寸壓電陶瓷元件的能力。我們通過調整工藝條件，包括采用特定等靜壓成型技術，控制燒結速率，中溫氧化熱處理技術等成功制備了一系列不同規格的大尺寸壓電陶瓷（Φ120*13.5mm，Φ55*5.9mm），滿足了實際應用要求，并已經用于上海航海儀器有限公司的多普勒計程儀。
　　3、針對大功率應用環境的水聲換能器材料，強場下低介電損耗是其關鍵參數。國內許多研究機構在降低材料介電常數損耗，提高材料機械品質因素，機電耦合系數及介電常數等方面做了很多研究工作，但據文獻報導來看，強場下的介電損耗很少有報導，可能有兩個方面因素，一是強場介電損耗的測量比較難，二是低的強場介電損耗很難獲得。我們所研制的材料在400V/mm的電場下介電常數損耗只有0.6%，在對同類產品進行比較后（英國Morgan PZT807（0.6%）,海鷹企業集團有限公司等（1.0%）），材料的性能達到國際先進水平。

　　【技術指標】
　　壓電系數d33=280 pC/N
　　介電常數ε＝1300
　　介電損耗（@1V/mm）tgδ％＝0.2
　　介電損耗（@400V/mm）tgδ％＝0.6
　　機械品質因素Qm>1200
　　諧振頻率溫度系數：Tfr(25℃～200℃) ≤8×10－4/℃

　　【技術水平】國際先進

　　【可應用領域和范圍】油氣勘探高端聲波測井儀、超聲清洗、海洋航運等領域。

　　【專利狀態】已獲得專利3項

　　【技術狀態】小批量生產階段

　　【合作方式】合作開發、產品銷售

　　【投入需求】400萬

　　【轉化周期】1年

　　【預期效益】產業規模：本技術可以用于油氣勘探用高端聲波測井儀器、有“量大面廣”特點的超聲清洗、海洋航運（多普勒計程儀）等民用領域，若僅考慮國內油氣勘探市場，通過本技術的實施帶來的整個高端石油勘探測井裝備產業規模初步預計可達近50億。
　　經濟效益和市場前景：近年來經濟的快速發展，對石油的需求不斷增長，使得世界各國對石油勘探開發更為重視，石油勘探投資持續快速保持兩位數的增長態勢。根據對全球398個油氣公司調查，繼2010年增長16%后，2011年全球油氣勘探開發投資繼續增長10%，預計2012年仍保持10%的增長速度，達5980億美元。運用高科技手段提升石油資源探測深度與能力和提高油氣采收率也越來越受到重視，聲波測井技術在這種背景下快速發展。過去以來，國內的石油高端聲波測井儀器市場一直被三大國外測井公司所壟斷。目前國外測井公司生產的一套（兩支）多極子聲波測井儀器價格就已高達1300萬人民幣左右，其中其核心部件壓電換能器的價格已高達150萬元，而且由于石油市場的激烈競爭，為了保護本國石油公司利益以及從國家石油戰略角度考慮近幾年已經控制對外銷售，因此其市場價值已無法估算。若僅考慮國內油氣勘探市場，通過本技術的實施帶來的整個高端石油勘探測井裝備產業規模初步預計可達近50億，并憑借極具競爭力的性價比，有機會與三大公司在海外市場進行競爭，因此其市場前景極為廣闊，對國民經濟有較大的推動作用。

　　【聯系方式】董顯林  021-52411412/13611800066