[发明专利]一种掺杂改性钪酸铋-钛酸铅-铁酸铋三元体系压电陶瓷及其偶极子发射换能器

说明书

本发明公开了一种掺杂改性钪酸铋‑钛酸铅‑铁酸铋三元体系的压电陶瓷，该陶瓷的化学通式为，其中0.30≤x≤0.33，0.05≤y≤0.10，0.02≤a≤0.05，0.01≤b≤0.03，0.01≤c≤0.03，采用金属氧化物为原料，通过固相反应法制备该压电陶瓷。本发明还公开了基于该压电陶瓷的偶极子发射换能器，换能器在空气中的谐振频率约为2~3kHz，可耐200℃的高温及50MPa的高静水压。

技术领域

本发明属于压电陶瓷基换能器领域，具体涉及一种掺杂改性钪酸铋-钛酸铅-铁酸铋三元体系的压电陶瓷及其偶极子发射换能器。

背景技术

深海油田的复杂环境对油气探测装备提出了更高的要求。由于地热的影响，随着钻井深度的增加，井下温度逐步升高。比如南海深水区钻井地温梯度平均为3.91±0.74/100m（石油学报, 2009, 30(1): 27-32），那么当油井深度超过5000m时，井下温度将超过200℃的高温。同时，海深每增加100m，压强就增大1MPa，当深度超过5000米时，压强超过50个大气压。先进的声波测试技术可以提高油气资源的探测能力和深度，深海油气探井作业需要耐高温高压的压电换能器。国内中科院上海硅酸盐所研制的声波测井换能器不仅能够满足声学特性方面的要求，并且可在180℃高温下稳定工作 (http://www.sic.cas.cn/glbm/kjfzb/sdhzc/xmzs/201202/t20120220_3442478.html)。中国科学院大学陈秋颖等人制备的1-3型PZT/聚合物压电复合材料换能器，稳定工作的温度达到150℃(陈秋颖. 耐高温压电复合材料超声换能器研究. 中国科学院大学. 2014.)。山东大学的肖洪地等人制备的0.9PbTiO₃-0.1Pb(Sn_1/3Nb_2/3)O₃系压电陶瓷换能器在油井深度5250m（地温约166℃）处，性能稳定且具有较好的重复性(功能材料与器件学报, 2002, 8(4): 418-420.)。中国石油天然气集团公司授权的“偶极子发射换能器”实用新型专利，所提供的一种偶极子发射换能器环境条件满足175℃，140Mpa(ZL200620119171.7)。由此可见，目前研发的测井用换能器的工作温度依然低于200℃，随着海洋油气开发向深水进军，对高温高压下性能稳定而不失效的换能器的需求越发迫切。

压电换能器的最高工作温度主要由压电元件的最高极限工作温度所决定的，当压电材料工作温度超过居里温度( T_C)时，将会失去压电效应。为了使压电材料和器件能够稳定地在高温极端环境下正常工作，压电材料的服役温度往往被限定为其 T_C的一半(0.5 T_C)。以Pb(Zr,Ti)O₃( T_C=320-350℃)为代表的弛豫铁电体，曾一度因为其优越的压电性能主宰了全球压电换能器市场。但PZT压电固溶体工作温度低，机械脆性大，且含铅量高。钪酸铋-钛酸铅(BiScO₃-PbTiO₃)固溶体具有与PZT压电固溶体相媲美的压电性能( d₃₃=460pC/N)以及相对较高的 T_C(450℃)。但BiScO₃-PbTiO₃固溶体的介电损耗较大，持续在高温和高频率下工作会造成严重能量损耗。而铁酸铋(BiFeO₃)为代表的高温压电陶瓷材料，具有高的居里温度( T_C=825℃)，但相对较小的压电常数( d₃₃=27pC/N)限制了其应用。

发明内容