[00339243]高温压电传感器

成果简介：

压电陶瓷作为一种先进功能材料，广泛应用于传感器、制动器和超声换能器等领域。随着科技的进步，人们迫切需要能在极端环境下服役的高温压电材料，如应用在石油钻探、航空航天、汽车发动机燃油喷嘴等领域。然而，性能优异，温度稳定性良好的压电陶瓷材料极度缺乏。目前在高温压电领域，通常应用的是压电单晶材料，其制造工艺复杂苛刻，且成本高，不利于大规模商业化应用。因此，开发新型高温压电陶瓷材料就显得尤为重要。

铁酸铋（BF）基压电陶瓷材料通常具有优异的距离温度（BF 的居里温度为632℃），而且 BF 可以与钛酸铅（PT）和钛酸钡（BT）形成固溶体，且具有准同型相界，这就为高温压电材料的开发提供了可能。BF-PT 体系的四方但是想要获得优异的高温压电性能，需要采用淬火工艺对烧结的陶瓷进行处理。

淬火工艺复杂，影响因素众多，造成该体系材料的性能可重复性较差。另外，由于 BF 端际成分中 Fe 的变价，造成陶瓷本身存在较大的漏导。因此制备的陶瓷，介电损耗较大，难于极化。这严重限制了 BF 基高温压电陶瓷的应用。

我们结合了 BF-PT 和 BF-BT 两个体系的优势，设计了 BF-PT-BT 三元压电陶瓷体系，通过控制三个端际成分的比例有效调节了压电陶瓷的性能，实现了优异的高温压电性。其优化后的压电常数 d33 可达 360 pC/N，同时其居里温度 Tc 达483 ℃。性强，轴比过大，造成陶瓷的矫顽场过大，不容易极化。过大的轴比使得陶瓷在烧结过程中很容易发生粉化，不易烧结成瓷。而 BF-BT 体系轴比较小，制备起来相对容易。

推广应用情况：

与中国电子科技集团公司合作开发。

技术优势：

1、性能好：我们研发的 BF-PT-BT 体系高温压电组成性能优异，其居里温度和压电系数在钙钛矿型高温压电材料中达到了国际领先水平。

2、制备工艺简单：BF-PT-BT 高温压电陶瓷制备工艺简单，具备大规模商业化生产的基础。其原料为三氧化二铁、氧化铅、三氧化二铋、二氧化钛、碳酸钡、氧化锰等常见氧化物，原料成本低，容易获得。

3、性能指标：

室温压电系数 d33 = 360 ±20 pC/N

居里温度 Tc = 483 ℃

退极化温度 Td ＞450 ℃

室温介电常数 ε33 = 400-700

市场分析：

近年来，随着科技的迅猛发展，对耐受极端工作环境的高温压电陶瓷产品的需求不断增加。本发明可同时满足高居里温度和高压电系数的要求。有望应用于高温石油钻探领域中高温压电钻探机。

经济效益分析：

目前市场上商业化的用于石油钻机的高温压电陶瓷片每片的价格大概在 40-100 元不等。我们发明的该高温压电陶瓷使用常见氧化物作为原料，按照原料的市场价格计算，每公斤产品成本约为 650 元。烧制成陶瓷片，每片重约 10g，成本约 6.5 元。合计加工费、人工费等费用，每片陶瓷的成本可以控制在 30 元以内。取市场价的平均水平，每片陶瓷销售价格 80 元，则毛利润在 50 元每片。目 前国内市场每年需要量在百万片的量级。

成果亮点：

1.具有自主知识产权，研究成果已经申请国家发明专利。

2. 成果来源：国家杰出青年基金、青年拔尖人才支持计划等。

3. 技术先进性：国内领先。