【技术开发单位】中国科学院上海硅酸盐研究所
【技术简介】随着现代YLSN系统的不断改进和升级，为了提高发射功率密度，增加可靠稳定工作时间，提高SN探测能力和精度，水声换能器所承受的大功率及稳定性考验越来越苛刻，传统的收发两用压电陶瓷材料已经很难满足应用要求，由于涉及军事机密和国防安全，国外研究机构对我国进行严格技术封锁，从1996年开始，上海硅酸盐研究所开始承担为XX工程“XX”型号任务配套的材料研制任务。经过近七年的技术攻关，突破了兼具高灵敏度和大功率发射特性的低损耗“收/发”两用型压电陶瓷的组成设计和制备工艺，成功研制出“XX”及”XX”两种能够原位替代俄罗斯产品的压电陶瓷（已授权两项国防发明专利），具有高稳定、体积密度低、收发两用、耐受电功率能力强的突出特点。自2003年9月，两种压电陶瓷元件产品在上海硅酸盐研究所压电陶瓷生产线定点批生产，至今一直持续、稳定地提供批量产品，已累计供货XX万件，完全实现了我国重点WQXH关键配套材料的国产化和批量生产。从2007年开始，上海硅酸盐研究所开始承担为“XXXXX”K-KDD配套的材料研制任务，成功研制了具备高灵敏度和快速响应特性的接收型压电陶瓷材料。这些技术突破和工作积累为低损耗功率型压电陶瓷、高接收灵敏度、高温度稳定性压电陶瓷的研制提供了核心技术和坚实基础。
从上世纪90年代开始，我国石油勘探开发区域中复杂和隐蔽岩性油气藏占整个油气资源的60%，勘探难度越来越大，运用高端声波测井仪器提升石油资源探测能力越来越受到重视。高性能和高稳定压电换能器是先进声波测井仪器制造的瓶颈。上海硅酸盐研究所自2007年起针对国家急需研制能满足复杂勘探条件的声波测井换能器。声波测井用压电陶瓷与常规压电陶瓷相比，有其自身特殊性，一是在高温高压条件下性能稳定，这样才能保证换能器适应油井的高温高压环境，其次在此环境下需要保持高的发射功率、灵敏度、频率一致性等等，这样才能满足良好的测量精度与测量效率要求。因此，生产多种规格（环形、大尺寸）、多种性能（适应声波发射和声波接收特性）的压电陶瓷材料是生产高性能声波换能器的关键。正是过去多年里承担了配套项目，在大功率、高灵敏压电陶瓷材料的组成设计、异形陶瓷元件制备、切向极化工艺、等静压成型及气氛烧成、陶瓷元件的批量化制备工艺等方面积累了丰富研究经验及技术成果，大大加快了研发周期，使得高温高压声波测井换能器在不到1年内研制成功，并配合中海油、中石油成功研制具有国际先进水平的高端声波测井仪器，在2年内实现了批产并成功投向市场。目前已经用于制造多级子声波测井仪器，新一代数字声波测井仪器及声成像测井仪器三类高端声波测井仪，实现了近亿元的产值，更为重要的是突破了国外对于高端声波测井技术的封锁，带动了整个高端声波测井装备行业的发展，对于有效勘探开发深部复杂油气资源，缓解我国能源短缺等都具有总要意义。
经过几年的研究开发，在大功率、高灵敏、高稳定压电陶瓷材料的基础研究、制备等方面取得了具有国际先进水平或领先水平的一系列重大创新性研究成果：
（1）依据结构相容原理，通过设计Pb(Zr,Ti)O3-ABO3三元体系配方，探索更易实现阻抗匹配更适用于水声换能器领域的新型低体积密度、高频率常数的钙钛矿型铁电材料体系，最终获得了体积密度只有7.1g/cm3，频率常数高达2400
Hzm左右的三元系陶瓷材料。
（2）通过特定等静压成型技术及控制烧结工艺条件，获得了满足实际应用要求的Φ120*13.5
mm尺寸的压电陶瓷元件，避免了大尺寸压电陶瓷容易开裂现象，解决了大尺寸压电陶瓷的制备难题。
（3）通过人为制造偶极子缺陷，获得了弱场介电损耗为0.2%，强场（400V/mm）介电损耗为0.6%，机械品质因素为1900，压电系数为255的压电陶瓷，该材料能承受较强的功率密度，在大功率收发两用水声换能器材料方面极具应用前景。
综上，通过配方设计和工艺改进，获得了兼具高接收灵敏度和发射功率，高温度稳定性的压电陶瓷材料，材料性能等同甚至超过国外同类产品。
【技术特点】1、通过新型Pb(Zr,Ti)O3-ABO3三元系新型钙钛矿结构铁电材料的配方设计，有效的降低了材料的体积密度（7.1g/cm3）及提高了材料的频率常数（2400Hz·m）使其更适合作为水声换能器材料，明显优于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、大尺寸压电陶瓷的制备一直是材料制备的技术难题，成型、加工和烧结工艺需要严格控制，一旦控制不好容易引起压电陶瓷元件开裂，因此目前国内许多厂家还没有生产大尺寸压电陶瓷元件的能力。我们通过调整工艺条件，包括采用特定等静压成型技术，控制烧结速率，中温氧化热处理技术等成功制备了一系列不同规格的大尺寸压电陶瓷（Φ120*13.5mm，Φ55*5.9mm），满足了实际应用要求，并已经用于上海航海仪器有限公司的多普勒计程仪。
3、针对大功率应用环境的水声换能器材料，强场下低介电损耗是其关键参数。国内许多研究机构在降低材料介电常数损耗，提高材料机械品质因素，机电耦合系数及介电常数等方面做了很多研究工作，但据文献报导来看，强场下的介电损耗很少有报导，可能有两个方面因素，一是强场介电损耗的测量比较难，二是低的强场介电损耗很难获得。我们所研制的材料在400V/mm的电场下介电常数损耗只有0.6%，在对同类产品进行比较后（英国Morgan
PZT807（0.6%）,海鹰企业集团有限公司等（1.0%）），材料的性能达到国际先进水平。
【技术指标】
压电系数d33=280
pC/N
介电常数ε＝1300
介电损耗（@1V/mm）tgδ％＝0.2
介电损耗（@400V/mm）tgδ％＝0.6
机械品质因素Qm>1200
谐振频率温度系数：Tfr(25℃～200℃)
≤8×10－4/℃
【技术水平】国际先进
【可应用领域和范围】油气勘探高端声波测井仪、超声清洗、海洋航运等领域。
【专利状态】已获得专利3项
【技术状态】小批量生产阶段
【合作方式】合作开发、产品销售
【投入需求】400万
【转化周期】1年
【预期效益】产业规模：本技术可以用于油气勘探用高端声波测井仪器、有“量大面广”特点的超声清洗、海洋航运（多普勒计程仪）等民用领域，若仅考虑国内油气勘探市场，通过本技术的实施带来的整个高端石油勘探测井装备产业规模初步预计可达近50亿。
经济效益和市场前景：近年来经济的快速发展，对石油的需求不断增长，使得世界各国对石油勘探开发更为重视，石油勘探投资持续快速保持两位数的增长态势。根据对全球398个油气公司调查，继2010年增长16%后，2011年全球油气勘探开发投资继续增长10%，预计2012年仍保持10%的增长速度，达5980亿美元。运用高科技手段提升石油资源探测深度与能力和提高油气采收率也越来越受到重视，声波测井技术在这种背景下快速发展。过去以来，国内的石油高端声波测井仪器市场一直被三大国外测井公司所垄断。目前国外测井公司生产的一套（两支）多极子声波测井仪器价格就已高达1300万人民币左右，其中其核心部件压电换能器的价格已高达150万元，而且由于石油市场的激烈竞争，为了保护本国石油公司利益以及从国家石油战略角度考虑近几年已经控制对外销售，因此其市场价值已无法估算。若仅考虑国内油气勘探市场，通过本技术的实施带来的整个高端石油勘探测井装备产业规模初步预计可达近50亿，并凭借极具竞争力的性价比，有机会与三大公司在海外市场进行竞争，因此其市场前景极为广阔，对国民经济有较大的推动作用。
【联系方式】董显林
021-52411412/13611800066