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科学研究

我校高温压电陶瓷材料研究取得重要进展

发布时间:2019-10-31      来源:      阅读次数:

压电陶瓷材料是实现机电能量转换和耦合的一类重要的功能材料,在通信、航空航天、核能、汽车、探测和计算机等诸多领域得到重要而广泛的应用。随着当代科学技术的迅猛发展,在一些极端环境下对压电陶瓷的服役性能提出了新的挑战。例如工业上使用的超声加工、超声焊接等大功率超声换能器,核反应堆中使用的高温超声波定位探测器,内燃机中使用的燃油电喷压电阀等, 必须选用具有高居里点的压电材料,这样才能保证压电器件可在较宽温度范围内正常工作。在航空航天领域, 高温压电加速度传感器也发挥着重要作用。2006年7月美国发射成功的航天飞机“发现者3号”, 仅一个机翼部分就安装了66个温度响应极好的压电加速度传感器,用以密切监测宇宙飞船的机翼工作状态。在石油勘探领域,在钻探过程中,探头传感器需要对周围环境的温度、压力、流量、密度、化学组成等数据进行采集,而且探头附近的环境温度会在很宽范围内变化,这要求相关的压电传感器能够承受较高的温度。目前高级汽车电喷系统中的喷油器普遍采用压电式喷油器,与传统的机械式化油器比较,电控汽油喷射系统可以使汽车发动机功率提高5%~10%,汽油消耗率降低5%~10%,废气排放量减少20%。

锆钛酸铅( PZT) 为主的铅基压电陶瓷因为其优异的综合性能在实际应用中占据主导地位。PZT 压电陶瓷的居里温度一般不高于350℃,长时间稳定工作温度通常不超过170℃,当环境温度高于170℃时,材料出现明显的热退极化现象,导致压电性能严重下降,器件失效。因此,研究人员和工业界一直认定是PZT 压电陶瓷的极限使用温度(170℃左右),即要将PZT 压电陶瓷稳定用于200℃的高温环境几乎是不可能的。长期以来, 人们一直在寻找性能优异、工作温度高的压电材料,但进展缓慢。目前特种高温压电器件不得不使用生产工艺复杂、成本高昂的压电单晶材料,但其压电性能十分有限(压电系数d33只有几十),而且压电晶体在抗极端冲击和振动方面,也不如压电陶瓷材料。因此,开发出性能优异、成本低廉、温度稳定性好的高温压电陶瓷材料已成为压电材料研究热点和重点课题。

压电陶瓷材料与元器件是湖北大学传统的优势研究方向,自1976年以来一直致力于研究和开发高性能实用性的先进陶瓷材料及产品。主要研究了高温压电陶瓷材料、环境友好型无铅压电陶瓷材料、低温共烧压电陶瓷材料、大功率压电陶瓷材料,开发出大功率压电变压器及其系列高压电源、压电陶瓷耦合固体继电器、压电马达、多层压电陶瓷器件,其中压电陶瓷雷达电源近二十年来一直被XXX所应用于XXX雷达系统,产生了显著的经济效益和社会效益。主持和参与完成了国家“863”计划项目、国家自然科学基金项目、教育部和湖北省等省部级重点科研项目30余项,曾获国家科技进步二等奖1项,省科技进步一、二等奖各1项,省科技进步三等奖2项,省级鉴定成果4项,专利18项,其中美国专利1项。

近年来,在学院党委的支持下,大满贯棋牌赌博压电陶瓷材料与器件课题组尚勋忠教授,周桃生教授,柴荔英教授通过与武汉海创电子股份有限公司长期合作,近期在高温压电陶瓷材料研究上取得重要进展,制备出压电陶瓷材料具有高居里点(≥450℃),高温环境下高压电活性(400度老化后压电系数d33≥260)、高绝缘电阻(350度时电阻率ρ≥5×108Ω·cm)。大满贯棋牌赌博压电陶瓷材料与元器件课题组与武汉海创电子股份有限公司进行了深度合作,建立产学研合作基地,开展科研成果对接和人才培养,先后已进行二次技术转让,制作出高温环境下高灵敏度,高稳定可靠的产品,广泛应用于涡街流量计探头、石油钻探、核工业领域。

图1 高温压电陶瓷材料的介电温谱           图2 高温压电陶瓷材料的退极化温度

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   图3 产学研合作基地挂牌

图4  湖北大学—武汉海创电子高温压电陶瓷材料成果转让签字仪式

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