合作信息
大功率、高靈敏、高穩(wěn)定壓電陶瓷材料
發(fā)布單位：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
所屬行業(yè)：新材料
合作信息類型：意向合作
機(jī)構(gòu)類型：企業(yè)
供求關(guān)系：供應(yīng)
合作信息期限：2016-5
參考價(jià)格：面議
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合作信息簡介
【技術(shù)開發(fā)單位】中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
【技術(shù)簡介】隨著現(xiàn)代YLSN系統(tǒng)的不斷改進(jìn)和升級(jí)，為了提高發(fā)射功率密度，增加可靠穩(wěn)定工作時(shí)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(wěn)定性考驗(yàn)越來越苛刻，傳統(tǒng)的收發(fā)兩用壓電陶瓷材料已經(jīng)很難滿足應(yīng)用要求，由于涉及軍事機(jī)密和國防安全，國外研究機(jī)構(gòu)對我國進(jìn)行嚴(yán)格技術(shù)封鎖，從1996年開始，上海硅酸鹽研究所開始承擔(dān)為XX工程“XX”型號(hào)任務(wù)配套的材料研制任務(wù)。經(jīng)過近七年的技術(shù)攻關(guān)，突破了兼具高靈敏度和大功率發(fā)射特性的低損耗“收/發(fā)”兩用型壓電陶瓷的組成設(shè)計(jì)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(chǎn)品的壓電陶瓷（已授權(quán)兩項(xiàng)國防發(fā)明專利），具有高穩(wěn)定、體積密度低、收發(fā)兩用、耐受電功率能力強(qiáng)的突出特點(diǎn)。自2003年9月，兩種壓電陶瓷元件產(chǎn)品在上海硅酸鹽研究所壓電陶瓷生產(chǎn)線定點(diǎn)批生產(chǎn)，至今一直持續(xù)、穩(wěn)定地提供批量產(chǎn)品，已累計(jì)供貨XX萬件，完全實(shí)現(xiàn)了我國重點(diǎn)WQXH關(guān)鍵配套材料的國產(chǎn)化和批量生產(chǎn)。從2007年開始，上海硅酸鹽研究所開始承擔(dān)為“XXXXX”K-KDD配套的材料研制任務(wù)，成功研制了具備高靈敏度和快速響應(yīng)特性的接收型壓電陶瓷材料。這些技術(shù)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(wěn)定性壓電陶瓷的研制提供了核心技術(shù)和堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
從上世紀(jì)90年代開始，我國石油勘探開發(fā)區(qū)域中復(fù)雜和隱蔽巖性油氣藏占整個(gè)油氣資源的60%，勘探難度越來越大，運(yùn)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(wěn)定壓電換能器是先進(jìn)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(fù)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(guī)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(wěn)定，這樣才能保證換能器適應(yīng)油井的高溫高壓環(huán)境，其次在此環(huán)境下需要保持高的發(fā)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(chǎn)多種規(guī)格（環(huán)形、大尺寸）、多種性能（適應(yīng)聲波發(fā)射和聲波接收特性）的壓電陶瓷材料是生產(chǎn)高性能聲波換能器的關(guān)鍵。正是過去多年里承擔(dān)了配套項(xiàng)目，在大功率、高靈敏壓電陶瓷材料的組成設(shè)計(jì)、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(jīng)驗(yàn)及技術(shù)成果，大大加快了研發(fā)周期，使得高溫高壓聲波測井換能器在不到1年內(nèi)研制成功，并配合中海油、中石油成功研制具有國際先進(jìn)水平的高端聲波測井儀器，在2年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了批產(chǎn)并成功投向市場。目前已經(jīng)用于制造多級(jí)子聲波測井儀器，新一代數(shù)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(shí)現(xiàn)了近億元的產(chǎn)值，更為重要的是突破了國外對于高端聲波測井技術(shù)的封鎖，帶動(dòng)了整個(gè)高端聲波測井裝備行業(yè)的發(fā)展，對于有效勘探開發(fā)深部復(fù)雜油氣資源，緩解我國能源短缺等都具有總要意義。
經(jīng)過幾年的研究開發(fā)，在大功率、高靈敏、高穩(wěn)定壓電陶瓷材料的基礎(chǔ)研究、制備等方面取得了具有國際先進(jìn)水平或領(lǐng)先水平的一系列重大創(chuàng)新性研究成果：
（1）依據(jù)結(jié)構(gòu)相容原理，通過設(shè)計(jì)Pb(Zr,Ti)O3-ABO3三元體系配方，探索更易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配更適用于水聲換能器領(lǐng)域的新型低體積密度、高頻率常數(shù)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(shù)高達(dá)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(shù)及控制燒結(jié)工藝條件，獲得了滿足實(shí)際應(yīng)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(xiàn)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(qiáng)場（400V/mm）介電損耗為0.6%，機(jī)械品質(zhì)因素為1900，壓電系數(shù)為255的壓電陶瓷，該材料能承受較強(qiáng)的功率密度，在大功率收發(fā)兩用水聲換能器材料方面極具應(yīng)用前景。
綜上，通過配方設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)，獲得了兼具高接收靈敏度和發(fā)射功率，高溫度穩(wěn)定性的壓電陶瓷材料，材料性能等同甚至超過國外同類產(chǎn)品。
【技術(shù)特點(diǎn)】1、通過新型Pb(Zr,Ti)O3-ABO3三元系新型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料的配方設(shè)計(jì)，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(shù)（2400Hz·m）使其更適合作為水聲換能器材料，明顯優(yōu)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(shù)難題，成型、加工和燒結(jié)工藝需要嚴(yán)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(nèi)許多廠家還沒有生產(chǎn)大尺寸壓電陶瓷元件的能力。我們通過調(diào)整工藝條件，包括采用特定等靜壓成型技術(shù)，控制燒結(jié)速率，中溫氧化熱處理技術(shù)等成功制備了一系列不同規(guī)格的大尺寸壓電陶瓷（Φ120*13.5mm，Φ55*5.9mm），滿足了實(shí)際應(yīng)用要求，并已經(jīng)用于上海航海儀器有限公司的多普勒計(jì)程儀。
3、針對大功率應(yīng)用環(huán)境的水聲換能器材料，強(qiáng)場下低介電損耗是其關(guān)鍵參數(shù)。國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)在降低材料介電常數(shù)損耗，提高材料機(jī)械品質(zhì)因素，機(jī)電耦合系數(shù)及介電常數(shù)等方面做了很多研究工作，但據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)來看，強(qiáng)場下的介電損耗很少有報(bào)導(dǎo)，可能有兩個(gè)方面因素，一是強(qiáng)場介電損耗的測量比較難，二是低的強(qiáng)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(shù)損耗只有0.6%，在對同類產(chǎn)品進(jìn)行比較后（英國Morgan PZT807（0.6%）,海鷹企業(yè)集團(tuán)有限公司等（1.0%）），材料的性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。
【技術(shù)指標(biāo)】
壓電系數(shù)d33=280 pC/N
介電常數(shù)ε＝1300
介電損耗（@1V/mm）tgδ％＝0.2
介電損耗（@400V/mm）tgδ％＝0.6
機(jī)械品質(zhì)因素Qm>1200
諧振頻率溫度系數(shù)：Tfr(25℃～200℃) ≤8×10－4/℃
【技術(shù)水平】國際先進(jìn)
【可應(yīng)用領(lǐng)域和范圍】油氣勘探高端聲波測井儀、超聲清洗、海洋航運(yùn)等領(lǐng)域。
【專利狀態(tài)】已獲得專利3項(xiàng)
【技術(shù)狀態(tài)】小批量生產(chǎn)階段
【合作方式】合作開發(fā)、產(chǎn)品銷售
【投入需求】400萬
【轉(zhuǎn)化周期】1年
【預(yù)期效益】產(chǎn)業(yè)規(guī)模：本技術(shù)可以用于油氣勘探用高端聲波測井儀器、有“量大面廣”特點(diǎn)的超聲清洗、海洋航運(yùn)（多普勒計(jì)程儀）等民用領(lǐng)域，若僅考慮國內(nèi)油氣勘探市場，通過本技術(shù)的實(shí)施帶來的整個(gè)高端石油勘探測井裝備產(chǎn)業(yè)規(guī)模初步預(yù)計(jì)可達(dá)近50億。
經(jīng)濟(jì)效益和市場前景：近年來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對石油的需求不斷增長，使得世界各國對石油勘探開發(fā)更為重視，石油勘探投資持續(xù)快速保持兩位數(shù)的增長態(tài)勢。根據(jù)對全球398個(gè)油氣公司調(diào)查，繼2010年增長16%后，2011年全球油氣勘探開發(fā)投資繼續(xù)增長10%，預(yù)計(jì)2012年仍保持10%的增長速度，達(dá)5980億美元。運(yùn)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(shù)在這種背景下快速發(fā)展。過去以來，國內(nèi)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(chǎn)的一套（兩支）多極子聲波測井儀器價(jià)格就已高達(dá)1300萬人民幣左右，其中其核心部件壓電換能器的價(jià)格已高達(dá)150萬元，而且由于石油市場的激烈競爭，為了保護(hù)本國石油公司利益以及從國家石油戰(zhàn)略角度考慮近幾年已經(jīng)控制對外銷售，因此其市場價(jià)值已無法估算。若僅考慮國內(nèi)油氣勘探市場，通過本技術(shù)的實(shí)施帶來的整個(gè)高端石油勘探測井裝備產(chǎn)業(yè)規(guī)模初步預(yù)計(jì)可達(dá)近50億，并憑借極具競爭力的性價(jià)比，有機(jī)會(huì)與三大公司在海外市場進(jìn)行競爭，因此其市場前景極為廣闊，對國民經(jīng)濟(jì)有較大的推動(dòng)作用。
【聯(lián)系方式】董顯林 021-52411412/13611800066
【技術(shù)簡介】隨著現(xiàn)代YLSN系統(tǒng)的不斷改進(jìn)和升級(jí)，為了提高發(fā)射功率密度，增加可靠穩(wěn)定工作時(shí)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(wěn)定性考驗(yàn)越來越苛刻，傳統(tǒng)的收發(fā)兩用壓電陶瓷材料已經(jīng)很難滿足應(yīng)用要求，由于涉及軍事機(jī)密和國防安全，國外研究機(jī)構(gòu)對我國進(jìn)行嚴(yán)格技術(shù)封鎖，從1996年開始，上海硅酸鹽研究所開始承擔(dān)為XX工程“XX”型號(hào)任務(wù)配套的材料研制任務(wù)。經(jīng)過近七年的技術(shù)攻關(guān)，突破了兼具高靈敏度和大功率發(fā)射特性的低損耗“收/發(fā)”兩用型壓電陶瓷的組成設(shè)計(jì)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(chǎn)品的壓電陶瓷（已授權(quán)兩項(xiàng)國防發(fā)明專利），具有高穩(wěn)定、體積密度低、收發(fā)兩用、耐受電功率能力強(qiáng)的突出特點(diǎn)。自2003年9月，兩種壓電陶瓷元件產(chǎn)品在上海硅酸鹽研究所壓電陶瓷生產(chǎn)線定點(diǎn)批生產(chǎn)，至今一直持續(xù)、穩(wěn)定地提供批量產(chǎn)品，已累計(jì)供貨XX萬件，完全實(shí)現(xiàn)了我國重點(diǎn)WQXH關(guān)鍵配套材料的國產(chǎn)化和批量生產(chǎn)。從2007年開始，上海硅酸鹽研究所開始承擔(dān)為“XXXXX”K-KDD配套的材料研制任務(wù)，成功研制了具備高靈敏度和快速響應(yīng)特性的接收型壓電陶瓷材料。這些技術(shù)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(wěn)定性壓電陶瓷的研制提供了核心技術(shù)和堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
從上世紀(jì)90年代開始，我國石油勘探開發(fā)區(qū)域中復(fù)雜和隱蔽巖性油氣藏占整個(gè)油氣資源的60%，勘探難度越來越大，運(yùn)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(wěn)定壓電換能器是先進(jìn)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(fù)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(guī)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(wěn)定，這樣才能保證換能器適應(yīng)油井的高溫高壓環(huán)境，其次在此環(huán)境下需要保持高的發(fā)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(chǎn)多種規(guī)格（環(huán)形、大尺寸）、多種性能（適應(yīng)聲波發(fā)射和聲波接收特性）的壓電陶瓷材料是生產(chǎn)高性能聲波換能器的關(guān)鍵。正是過去多年里承擔(dān)了配套項(xiàng)目，在大功率、高靈敏壓電陶瓷材料的組成設(shè)計(jì)、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(jīng)驗(yàn)及技術(shù)成果，大大加快了研發(fā)周期，使得高溫高壓聲波測井換能器在不到1年內(nèi)研制成功，并配合中海油、中石油成功研制具有國際先進(jìn)水平的高端聲波測井儀器，在2年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了批產(chǎn)并成功投向市場。目前已經(jīng)用于制造多級(jí)子聲波測井儀器，新一代數(shù)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(shí)現(xiàn)了近億元的產(chǎn)值，更為重要的是突破了國外對于高端聲波測井技術(shù)的封鎖，帶動(dòng)了整個(gè)高端聲波測井裝備行業(yè)的發(fā)展，對于有效勘探開發(fā)深部復(fù)雜油氣資源，緩解我國能源短缺等都具有總要意義。
經(jīng)過幾年的研究開發(fā)，在大功率、高靈敏、高穩(wěn)定壓電陶瓷材料的基礎(chǔ)研究、制備等方面取得了具有國際先進(jìn)水平或領(lǐng)先水平的一系列重大創(chuàng)新性研究成果：
（1）依據(jù)結(jié)構(gòu)相容原理，通過設(shè)計(jì)Pb(Zr,Ti)O3-ABO3三元體系配方，探索更易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配更適用于水聲換能器領(lǐng)域的新型低體積密度、高頻率常數(shù)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(shù)高達(dá)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(shù)及控制燒結(jié)工藝條件，獲得了滿足實(shí)際應(yīng)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(xiàn)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(qiáng)場（400V/mm）介電損耗為0.6%，機(jī)械品質(zhì)因素為1900，壓電系數(shù)為255的壓電陶瓷，該材料能承受較強(qiáng)的功率密度，在大功率收發(fā)兩用水聲換能器材料方面極具應(yīng)用前景。
綜上，通過配方設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)，獲得了兼具高接收靈敏度和發(fā)射功率，高溫度穩(wěn)定性的壓電陶瓷材料，材料性能等同甚至超過國外同類產(chǎn)品。
【技術(shù)特點(diǎn)】1、通過新型Pb(Zr,Ti)O3-ABO3三元系新型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料的配方設(shè)計(jì)，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(shù)（2400Hz·m）使其更適合作為水聲換能器材料，明顯優(yōu)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(shù)難題，成型、加工和燒結(jié)工藝需要嚴(yán)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(nèi)許多廠家還沒有生產(chǎn)大尺寸壓電陶瓷元件的能力。我們通過調(diào)整工藝條件，包括采用特定等靜壓成型技術(shù)，控制燒結(jié)速率，中溫氧化熱處理技術(shù)等成功制備了一系列不同規(guī)格的大尺寸壓電陶瓷（Φ120*13.5mm，Φ55*5.9mm），滿足了實(shí)際應(yīng)用要求，并已經(jīng)用于上海航海儀器有限公司的多普勒計(jì)程儀。
3、針對大功率應(yīng)用環(huán)境的水聲換能器材料，強(qiáng)場下低介電損耗是其關(guān)鍵參數(shù)。國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)在降低材料介電常數(shù)損耗，提高材料機(jī)械品質(zhì)因素，機(jī)電耦合系數(shù)及介電常數(shù)等方面做了很多研究工作，但據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)來看，強(qiáng)場下的介電損耗很少有報(bào)導(dǎo)，可能有兩個(gè)方面因素，一是強(qiáng)場介電損耗的測量比較難，二是低的強(qiáng)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(shù)損耗只有0.6%，在對同類產(chǎn)品進(jìn)行比較后（英國Morgan PZT807（0.6%）,海鷹企業(yè)集團(tuán)有限公司等（1.0%）），材料的性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。
【技術(shù)指標(biāo)】
壓電系數(shù)d33=280 pC/N
介電常數(shù)ε＝1300
介電損耗（@1V/mm）tgδ％＝0.2
介電損耗（@400V/mm）tgδ％＝0.6
機(jī)械品質(zhì)因素Qm>1200
諧振頻率溫度系數(shù)：Tfr(25℃～200℃) ≤8×10－4/℃
【技術(shù)水平】國際先進(jìn)
【可應(yīng)用領(lǐng)域和范圍】油氣勘探高端聲波測井儀、超聲清洗、海洋航運(yùn)等領(lǐng)域。
【專利狀態(tài)】已獲得專利3項(xiàng)
【技術(shù)狀態(tài)】小批量生產(chǎn)階段
【合作方式】合作開發(fā)、產(chǎn)品銷售
【投入需求】400萬
【轉(zhuǎn)化周期】1年
【預(yù)期效益】產(chǎn)業(yè)規(guī)模：本技術(shù)可以用于油氣勘探用高端聲波測井儀器、有“量大面廣”特點(diǎn)的超聲清洗、海洋航運(yùn)（多普勒計(jì)程儀）等民用領(lǐng)域，若僅考慮國內(nèi)油氣勘探市場，通過本技術(shù)的實(shí)施帶來的整個(gè)高端石油勘探測井裝備產(chǎn)業(yè)規(guī)模初步預(yù)計(jì)可達(dá)近50億。
經(jīng)濟(jì)效益和市場前景：近年來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對石油的需求不斷增長，使得世界各國對石油勘探開發(fā)更為重視，石油勘探投資持續(xù)快速保持兩位數(shù)的增長態(tài)勢。根據(jù)對全球398個(gè)油氣公司調(diào)查，繼2010年增長16%后，2011年全球油氣勘探開發(fā)投資繼續(xù)增長10%，預(yù)計(jì)2012年仍保持10%的增長速度，達(dá)5980億美元。運(yùn)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(shù)在這種背景下快速發(fā)展。過去以來，國內(nèi)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(chǎn)的一套（兩支）多極子聲波測井儀器價(jià)格就已高達(dá)1300萬人民幣左右，其中其核心部件壓電換能器的價(jià)格已高達(dá)150萬元，而且由于石油市場的激烈競爭，為了保護(hù)本國石油公司利益以及從國家石油戰(zhàn)略角度考慮近幾年已經(jīng)控制對外銷售，因此其市場價(jià)值已無法估算。若僅考慮國內(nèi)油氣勘探市場，通過本技術(shù)的實(shí)施帶來的整個(gè)高端石油勘探測井裝備產(chǎn)業(yè)規(guī)模初步預(yù)計(jì)可達(dá)近50億，并憑借極具競爭力的性價(jià)比，有機(jī)會(huì)與三大公司在海外市場進(jìn)行競爭，因此其市場前景極為廣闊，對國民經(jīng)濟(jì)有較大的推動(dòng)作用。
【聯(lián)系方式】董顯林 021-52411412/13611800066
