高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器及陶(tao)瓷(ci)材(cai)料研究(jiu)應(ying)用進(jin)展

高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器及陶(tao)瓷(ci)材(cai)料研究(jiu)應(ying)用進(jin)展

蘇州長(chang)風航空(kong)電子有(you)限(xian)公(gong)司，中(zhong)國(guo)科學(xue)院(yuan)上海矽酸鹽研究(jiu)所(suo)，高性(xing)能(neng)陶(tao)瓷(ci)和(he)超(chao)微結(jie)構(gou)國(guo)家重點(dian)實驗室(shi)

摘要：高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器是航(hang)空(kong)發動(dong)機健康管(guan)理系(xi)統振動(dong)狀(zhuang)態(tai)測量的(de)專用特殊傳感器(qi)，高(gao)溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料是其(qi)關(guan)鍵核(he)心敏感(gan)元(yuan)件(jian)。與(yu)普(pu)通(tong)傳(chuan)感(gan)器(qi)相比(bi)，由(you)於應用(yong)環(huan)境復雜，對(dui)其(qi)在(zai)高溫(wen)長(chang)時服役(yi)的(de)可靠性(xing)與(yu)穩定(ding)性(xing)提出(chu)了更高(gao)要(yao)求。分(fen)別綜(zong)述了(le)航(hang)空(kong)發動(dong)機用(yong)高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器及其(qi)所(suo)用敏感元件(jian)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料的(de)國(guo)內(nei)外(wai)研究(jiu)應(ying)用進(jin)展，並結(jie)合(he)當前(qian)航(hang)空發動(dong)機振(zhen)動(dong)測量需(xu)求對(dui)該(gai)特殊用途(tu)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器及壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料的(de)前(qian)景(jing)進(jin)行(xing)展望(wang)，以(yi)期為國(guo)內(nei)高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器及陶(tao)瓷(ci)材(cai)料的(de)研制指(zhi)明(ming)方向。

關(guan)鍵詞：高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器；壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料；航(hang)空發動(dong)機；研究(jiu)進(jin)展

引言(yan)

測量專用特殊傳感器(qi)，利用壓(ya)電材(cai)料的(de)正壓(ya)電效(xiao)應進(jin)行(xing)測量，具有(you)自(zi)發電、使用溫度高(gao)、體(ti)積(ji)小(xiao)、抗電磁幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)強(qiang)、壽(shou)命長、可靠性(xing)高(gao)等(deng)優(you)點(dian)，對(dui)發(fa)動(dong)機健康評(ping)估、故(gu)障(zhang)預測與(yu)診(zhen)斷起(qi)到(dao)關(guan)鍵作用(yong)。高溫壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料是其(qi)關(guan)鍵核(he)心敏感(gan)元(yuan)件(jian)，與(yu)慣性(xing)質(zhi)量塊(kuai)等(deng)形成組件(jian)，實現(xian)振動(dong)信(xin)號(hao)向電信(xin)號(hao)轉換，決定著(zhe)傳感(gan)器的使用性(xing)能(neng)。與(yu)普(pu)通(tong)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器相比(bi)，由(you)於航空(kong)發(fa)動(dong)機工(gong)作環境惡劣且(qie)振(zhen)動(dong)監測位(wei)置關(guan)鍵，傳感(gan)器除需(xu)具有(you)較高耐溫和(he)抗(kang)振性(xing)能(neng)外(wai)，還(hai)應(ying)具備(bei)高(gao)溫(wen)長時工作的可靠性(xing)與(yu)穩定(ding)性(xing)。同時，隨(sui)著(zhe)近(jin)年來航空(kong)發動(dong)機推重比(bi)增加(jia)和(he)健康監測全面化，對(dui)高(gao)溫(wen)度和(he)更(geng)寬頻響(xiang)的(de)高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器和(he)壓(ya)電元(yuan)件需(xu)求更加迫切。

本(ben)文(wen)分(fen)別綜(zong)述了(le)航(hang)空(kong)發動(dong)機用(yong)高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器及其(qi)所(suo)用敏感元件(jian)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料的(de)國(guo)內(nei)外(wai)研究(jiu)應(ying)用進(jin)展，並結(jie)合(he)當前(qian)航(hang)空發動(dong)機振(zhen)動(dong)測量需(xu)求對(dui)該(gai)特殊用途(tu)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器及壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料的(de)前(qian)景(jing)進(jin)行(xing)展望(wang)，以(yi)期為國(guo)內(nei)高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器及陶(tao)瓷(ci)材(cai)料的(de)研制指(zhi)明(ming)方向。

1 高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器

高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器（又(you)稱(cheng)高(gao)溫(wen)壓(ya)電加(jia)速度計(ji)），是用(yong)高(gao)溫壓(ya)電材(cai)料作(zuo)為敏感元件(jian)，利用其正壓(ya)電效(xiao)應將輸入(ru)的(de)振(zhen)動(dong)加速度轉(zhuan)換為電荷信(xin)號(hao)輸出(chu)實現(xian)測量。目前(qian)，根(gen)據裝配結(jie)構(gou)和(he)工(gong)作原(yuan)理不同，高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器主(zhu)要(yao)有壓(ya)縮(suo)型和(he)剪切型(xing)兩(liang)種(zhong)。壓(ya)縮(suo)型傳(chuan)感(gan)器(qi)結(jie)構(gou)堅固，可承受(shou)高gn值沖(chong)擊(ji)，但(dan)由(you)於壓(ya)電元(yuan)件與(yu)底座(zuo)緊(jin)密接觸，對(dui)底座(zuo)彎曲(qu)（應變(bian)）較為敏感，內部(bu)零件(jian)沿敏感軸(zhou)的熱(re)脹冷(leng)縮(suo)效應(ying)會影(ying)響(xiang)傳(chuan)感器信(xin)號(hao)的輸(shu)出(chu)。與(yu)壓(ya)縮(suo)型結(jie)構(gou)相比(bi)，剪切型(xing)結(jie)構(gou)通常具有(you)更(geng)高(gao)的輸(shu)出(chu)、更小的(de)尺(chi)寸(cun)、更大的帶(dai)寬(kuan)和(he)更(geng)低的橫(heng)向輸出(chu)，同時由(you)於不直(zhi)接與(yu)壓(ya)電元(yuan)件接觸，具有(you)更(geng)低的瞬(shun)變(bian)溫(wen)度靈(ling)敏(min)度(du)和(he)更(geng)好的溫度(du)性(xing)能(neng)，但(dan)對(dui)於壓(ya)電元(yuan)件的(de)固定存在(zai)壹定困(kun)難(nan)。

圖1 高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器結(jie)構(gou)

2 高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器研究(jiu)應(ying)用進(jin)展

2.1 國(guo)外(wai)研究(jiu)應(ying)用進(jin)展

隨(sui)著(zhe)航空(kong)機載振(zhen)動(dong)測量技(ji)術的(de)發(fa)展，自(zi)20世紀(ji)50年(nian)代(dai)，國(guo)外(wai)就(jiu)已(yi)開(kai)始進(jin)行(xing)高(gao)溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器研究(jiu)。20世紀(ji)90年(nian)代(dai)後(hou)期，壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器逐(zhu)漸(jian)在(zai)航(hang)空(kong)發(fa)動(dong)機（如(ru)CFM56發動(dong)機）上(shang)普(pu)遍(bian)使用，並逐(zhu)步(bu)替代(dai)傳(chuan)統的磁電(dian)式(shi)振(zhen)動(dong)傳感(gan)器。目前(qian)，國(guo)際(ji)上(shang)系(xi)列(lie)化高(gao)溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器的使用溫度主(zhu)要(yao)涵蓋260℃、482℃、538℃、649℃、760℃等(deng)不同系(xi)列(lie)。能(neng)夠(gou)生產出(chu)成熟高(gao)溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器的公司僅有(you)幾家且(qie)大都(dou)集中(zhong)在美國(guo)和(he)西歐，如(ru)美國(guo)Endevco公(gong)司(si)、美(mei)國(guo)PCB公(gong)司(si)、瑞士(shi)Vibro-Meter公司(si)和(he)丹麥B＆K公(gong)司等(deng)，特別是美(mei)國(guo)Endevco公(gong)司(si)，其(qi)生產的航空發動(dong)機專用高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器產品性(xing)能(neng)優(you)異(yi)且能(neng)夠(gou)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)長期穩定(ding)工作(zuo)，已(yi)成(cheng)為航空發動(dong)機振(zhen)動(dong)監控的(de)標(biao)準傳(chuan)感器。下(xia)面介(jie)紹(shao)幾種(zhong)典(dian)型型(xing)號(hao)傳感(gan)器(qi)：

1） 6233C型高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器：為美國(guo)Endevco公(gong)司(si)的(de)產(chan)品，用於測量燃氣渦輪發(fa)動(dong)機的(de)振動(dong)情況(kuang)，具有(you)靈(ling)敏(min)度(du)高(gao)、可在482℃高溫(wen)下(xia)連續工(gong)作、平均(jun)時間長等(deng)特點。傳感器(qi)采(cai)用Endevco Piezite P-14型(xing)敏感(gan)元件和(he)中(zhong)心壓(ya)縮(suo)結(jie)構(gou)，保(bao)證了(le)高(gao)輸(shu)出(chu)、的溫度(du)穩定(ding)性(xing)和(he)寬(kuan)頻響(xiang)測試範(fan)圍(wei)（0.1 Hz ～ 5 kHz）。

2） 6237M70型高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器：為美國(guo)Endevco公(gong)司(si)的(de)產(chan)品，用於飛機(ji)燃氣渦輪機(ji)等(deng)超(chao)高溫(wen)環(huan)境的振(zhen)動(dong)測量，傳(chuan)感器(qi)可在650℃的環(huan)境溫度(du)下(xia)連續工(gong)作，頻率(lv)響(xiang)應(ying)範(fan)圍(wei)1 Hz ～ 5 kHz，具有(you)尺(chi)寸(cun)小、重量輕(qing)、平均(jun)時間長等(deng)特點。傳感器(qi)采(cai)用Endevco Piezite P-15型(xing)壓(ya)電敏(min)感元(yuan)件和(he)剪切型(xing)結(jie)構(gou)，靈(ling)敏(min)軸(zhou)方向與(yu)安(an)裝螺(luo)釘(ding)方向相同。

3） 6240M10型高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器：為美國(guo)Endevco公(gong)司(si)的(de)產(chan)品，可在650℃下(xia)連續工(gong)作，並間(jian)斷工(gong)作(zuo)於760℃溫度(du)下(xia)，頻響(xiang)測試範(fan)圍(wei)5 Hz ～ 3 kHz。傳(chuan)感(gan)器采(cai)用壓(ya)電單(dan)晶和(he)剪切型(xing)結(jie)構(gou)，尺寸小(xiao)，測試精(jing)度(du)高，非常適(shi)合於飛機(ji)燃氣渦輪機(ji)的振(zhen)動(dong)測量。

4） 357E90型高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器：為美國(guo)PCB公(gong)司(si)的(de)產(chan)品，用於超(chao)高溫(wen)度(du)環(huan)境下(xia)飛機發(fa)動(dong)機燃燒(shao)室附(fu)近(jin)振動(dong)監測，最高(gao)工作(zuo)溫度(du)649℃，極(ji)限(xian)工(gong)作(zuo)溫度(du)760℃。傳感器(qi)采(cai)用壓(ya)電單(dan)晶和(he)剪切型(xing)結(jie)構(gou)，具有(you)體(ti)積(ji)小(xiao)、重量輕(qing)、工作(zuo)環(huan)境溫度(du)高等(deng)優(you)點(dian)。

5） CA134型高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器：為瑞士(shi)Vibro-Meter公司(si)的產品，常用於航空(kong)發(fa)動(dong)機惡劣高(gao)溫(wen)環境下(xia)的振動(dong)測量，傳(chuan)感器(qi)采(cai)用VC2型(xing)材(cai)料作(zuo)為敏感元件(jian)，工作(zuo)穩定(ding)，具有(you)耐高溫、體積(ji)小(xiao)、重量輕(qing)等(deng)特點。

6） CA135型高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器：為瑞士(shi)Vibro-Meter公司(si)的產品，用於航空(kong)發(fa)動(dong)機寬(kuan)頻響(xiang)範(fan)圍(wei)(5 Hz～ 12 kHz)振(zhen)動(dong)狀(zhuang)態(tai)測量，傳(chuan)感器(qi)采(cai)用PZT基(ji)壓(ya)電陶(tao)瓷和(he)剪切型(xing)結(jie)構(gou)，最高(gao)使用溫度260℃，靈(ling)敏(min)度(du)高(gao)，穩定(ding)性(xing)好(hao)。

7） 8347—C型高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器：為丹麥B＆K公(gong)司的(de)產品，采(cai)用剪切型(xing)結(jie)構(gou)設計(ji)，可用於航空(kong)發(fa)動(dong)機、工(gong)業(ye)燃氣輪機、核(he)電(dian)站(zhan)、變(bian)速箱等(deng)嚴苛工(gong)作環(huan)境的振(zhen)動(dong)測量。傳(chuan)感器(qi)采(cai)用加(jia)固的(de)兩(liang)針(zhen)TNC 連(lian)接器，平衡(heng)差(cha)分(fen)輸出(chu)連接，具有(you)寬(kuan)溫(wen)度(-196 ～ 482℃) 和(he)頻(pin)響(xiang)(1 Hz ～ 12.8kHz)測量範(fan)圍(wei)、可靠性(xing)與(yu)環境適應(ying)性(xing)高(gao)等(deng)突(tu)出(chu)特點，是目前(qian)世界(jie)上壹種(zhong)可在482℃實現(xian)寬頻響(xiang)測量的(de)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器。

表1為上述幾種(zhong)典(dian)型高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器及性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)。

表1 國(guo)外(wai)典(dian)型高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)

2.2 國(guo)內(nei)研究(jiu)應(ying)用進(jin)展

國(guo)內(nei)傳(chuan)感(gan)器(qi)研制和(he)生產單位(wei)目前(qian)已(yi)能(neng)夠(gou)生產出(chu)多種(zhong)規格系(xi)列(lie)的振動(dong)傳感(gan)器產品，但大多僅(jin)限(xian)於常溫(wen)測試使用。對(dui)於高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器的研究(jiu)始於20世紀(ji)70年(nian)代(dai)，主(zhu)要(yao)還是為了滿足(zu)航(hang)天技術(shu)發(fa)展的需求。近(jin)年來，隨(sui)著(zhe)國(guo)家對(dui)航(hang)空(kong)工業(ye)的大力(li)支持(chi)和(he)航(hang)空發動(dong)機振(zhen)動(dong)測量需(xu)求的逐(zhu)漸(jian)提高，*工(gong)類(lei)生產單位(wei)如(ru)國(guo)營(ying)第壹七壹廠(chang)、國(guo)營(ying)第壹六壹廠(chang)、中(zhong)電26所等(deng)，民營(ying)企業(ye)如(ru)慧石（上(shang)海）測控科技(ji)有(you)限公司、廈(sha)門(men)乃爾電(dian)子有(you)限(xian)公(gong)司等(deng)均(jun)開(kai)展了高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器的研制和(he)生產工作，典(dian)型牌(pai)號(hao)有GGZ—9，GGZ—10，GGZ—25，GGZ—26，GGZ—34，GGZ—35等(deng)，部分(fen)產品(pin)已實現(xian)應用。然而，目前(qian)國(guo)內(nei)航(hang)空(kong)發(fa)動(dong)機用(yong)高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器產品種(zhong)類(lei)較為單壹，僅具備(bei)260℃和(he)482℃兩(liang)種(zhong)系(xi)列(lie)傳感器的(de)研制生產能(neng)力(li)，部分(fen)傳感(gan)器長(chang)時使用尚(shang)存在(zai)靈(ling)敏(min)度(du)漂(piao)移現(xian)象，可靠性(xing)、穩定(ding)性(xing)和(he)長(chang)時高溫工作(zuo)性(xing)能(neng)等(deng)方面與(yu)國(guo)外(wai)同類(lei)產品相(xiang)比(bi)尚(shang)存在(zai)壹定差(cha)距(ju)。對(dui)於高溫(wen)寬(kuan)頻壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器（-55 ～ 482℃，1 Hz ～12.8 kHz）和(he)650℃以(yi)上(shang)的(de)超(chao)高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器尚(shang)未(wei)研發成(cheng)功(gong)，諸多(duo)技(ji)術瓶頸尚(shang)未(wei)掌(zhang)握(wo)。此外(wai)，與(yu)國(guo)外(wai)傳(chuan)感(gan)器(qi)研制生產單位(wei)不(bu)同，國(guo)內(nei)傳(chuan)感(gan)器(qi)研制生產單位(wei)尚(shang)未(wei)形(xing)成(cheng)從壓(ya)電元(yuan)件到(dao)傳感(gan)器的完(wan)整(zheng)鏈條，壹定程(cheng)度上影(ying)響(xiang)了(le)傳感器研發周期。

3 高溫壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料

高溫壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料是高(gao)居(ju)裏溫度(du)、高(gao)壓(ya)電系(xi)數(shu)、高電(dian)阻(zu)率(lv)和(he)低介(jie)電(dian)損(sun)耗(hao)，且(qie)能(neng)夠(gou)在(zai)較高溫度下(xia)穩定(ding)使用的壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料。作(zuo)為高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器的核(he)心敏感(gan)元(yuan)件(jian)，高(gao)溫壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料在(zai)航空、航(hang)天(tian)、核(he)能(neng)、冶金、石油(you)化工(gong)、地(di)質勘探等(deng)領(ling)域需求廣泛。根(gen)據晶體(ti)結(jie)構(gou)不同，高溫壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料主(zhu)要(yao)包(bao)括鈣鈦礦結(jie)構(gou)、鎢青(qing)銅結(jie)構(gou)、鉍層狀(zhuang)結(jie)構(gou)和(he)鈣鈦礦層(ceng)狀(zhuang)結(jie)構(gou)等(deng)4種(zhong)。表2對(dui)比(bi)列(lie)出(chu)了不同體系(xi)壓(ya)電材(cai)料與(yu)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器應用相關(guan)參數(shu)，其中(zhong)使用較為廣泛的是以(yi)PZT基(ji)為代(dai)表(biao)的(de)鈣鈦礦結(jie)構(gou)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料和(he)鉍(bi)層狀(zhuang)結(jie)構(gou)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料。

表2 不同體系(xi)壓(ya)電材(cai)料與(yu)傳感(gan)器(qi)應(ying)用相關(guan)參數(shu)

PZT基(ji)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料居(ju)裏溫度(du)Tc較低（300 ～ 400℃），但壓(ya)電系(xi)數(shu)d33大（300 ～ 700 pC/N），主(zhu)要(yao)用於200℃以(yi)下(xia)系(xi)列(lie)傳感器；鉍(bi)層(ceng)狀(zhuang)結(jie)構(gou)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料Tc較高（500 ～ 940℃），但壓(ya)電系(xi)數(shu)d33偏低（約(yue)20 pC/N），可用於400℃以(yi)上(shang)系(xi)列(lie)傳感器。針(zhen)對(dui)更(geng)高(gao)溫使用環境，壓(ya)電晶體(ti)由(you)於沒有高溫相(xiang)變(bian)，表(biao)現(xian)出(chu)高電阻(zu)率(lv)和(he)寬(kuan)使用溫度範(fan)圍(wei)，常(chang)用(yong)於650℃及以(yi)上(shang)超(chao)高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器，但生產加工成本(ben)相對(dui)較高，壓(ya)電系(xi)數(shu)也較低（＜ 10 pC/N）。綜合比(bi)較材(cai)料性(xing)能(neng)和(he)當前(qian)傳(chuan)感器實際需(xu)求，鉍層狀(zhuang)結(jie)構(gou)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料是高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器核(he)心敏感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)優(you)選材(cai)料，也是482℃高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器的通用材(cai)料和(he)650℃超(chao)高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器的候(hou)選材(cai)料，具有(you)的(de)研發應(ying)用(yong)潛力(li)。Bi4Ti3O12、CaBi4Ti4O15、Bi3TiNbO9、CaBi2Nb2O9、SrBi4Ti4O15、SrBi2Nb2O9等(deng)均(jun)是可用於傳感(gan)器(qi)的鉍層(ceng)狀(zhuang)結(jie)構(gou)壓(ya)電材(cai)料。然(ran)而，鉍層(ceng)狀(zhuang)結(jie)構(gou)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料在(zai)研制生產中(zhong)也存在(zai)壹些技術(shu)難點：1）矯頑場強(qiang)太(tai)高(gao)、不利於極(ji)化，批(pi)量極(ji)化技(ji)術難度(du)大；2）壓(ya)電活性(xing)較低，壓(ya)電系(xi)數(shu)較小，導(dao)致(zhi)傳(chuan)感器件的(de)頻率(lv)響(xiang)應(ying)範(fan)圍(wei)變(bian)窄；3）壓(ya)電響(xiang)應(ying)的溫度穩定(ding)性(xing)較差，導(dao)致(zhi)傳(chuan)感器件的(de)長期最高(gao)使用溫度大幅降低。鉍層狀(zhuang)結(jie)構(gou)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料的(de)改(gai)性(xing)提升(sheng)是當前(qian)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料研究(jiu)的(de)主(zhu)要(yao)方向。

4 高溫壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料研究(jiu)應(ying)用進(jin)展

4.1 國(guo)外(wai)研究(jiu)應(ying)用進(jin)展

目前(qian)，國(guo)外(wai)應(ying)用(yong)於壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器的陶瓷材(cai)料主(zhu)要(yao)有美(mei)國(guo)PiezoTechnologies公(gong)司(si)的(de)K-12，K-15，丹麥Ferroperm公(gong)司的(de)Pz46，美國(guo)TRSTechnologies公(gong)司(si)的(de)BT200、日(ri)本(ben)FujiCeramics公司(si)的F-100等(deng)，傳感器研制生產商如(ru)Endevco公司、Vibro-Meter公(gong)司等(deng)也自(zi)主(zhu)研發了(le)適(shi)用於高溫(wen)工(gong)作的壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料P-10，P-14，P-15，P-21等(deng)。其中(zhong)，對(dui)應(ying)於高溫(wen)振(zhen)動(dong)測量需(xu)求，公開(kai)資料(liao)顯(xian)示：K-12，K-15，P-14，P-15和(he)Pz46 是高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器選用的典(dian)型牌(pai)號(hao)材(cai)料，除(chu)P-15外，其它(ta)材(cai)料均(jun)為鉍層狀(zhuang)結(jie)構(gou)Bi4Ti3O12改(gai)性(xing)的(de)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料。產(chan)品技術(shu)現(xian)狀(zhuang)和(he)應(ying)用情況(kuang)如(ru)下(xia)：

1） K-12型高溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料：為美國(guo)Piezo Technologies公(gong)司(si)的(de)產(chan)品，居裏溫度(du)達到(dao)820℃，可在593℃長時工作，最高(gao)760℃短時工作，高溫(wen)穩定(ding)性(xing)能(neng)優(you)異(yi)。該(gai)材(cai)料已(yi)成功應(ying)用(yong)於丹麥B＆K公(gong)司482℃高(gao)溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器（8324、8347-C等(deng)），美國(guo)Endevco公(gong)司(si)538℃高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器（522M17，522M25等(deng)）。

2） K-15型高溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料：為美國(guo)Piezo Technologies公(gong)司(si)的(de)產(chan)品，居裏溫度(du)大於600℃，全使用溫度範(fan)圍(wei)內(nei)均(jun)具有(you)穩定(ding)的壓(ya)電活性(xing)。除(chu)擁有(you)K-12的優(you)異(yi)性(xing)能(neng)外(wai)，該(gai)材(cai)料壓(ya)電系(xi)數(shu)d33提高50%。K-15型(xing)高(gao)溫壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料已(yi)成功應(ying)用(yong)於美國(guo)Endevco公(gong)司(si)482℃高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器（6233C-10 /50 /100等(deng)），丹麥B＆K公(gong)司482℃高(gao)溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器（8324等(deng)）。

3） P-14型高溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料：為美國(guo)Endevco公(gong)司(si)的(de)產(chan)品，電荷靈(ling)敏(min)度(du)高(gao)且具有(you)超(chao)高居(ju)裏溫度(du)點(dian)，溫度範(fan)圍(wei)可達-50 ～ 540℃。用(yong)該(gai)材(cai)料制(zhi)成的傳(chuan)感(gan)器(qi)既(ji)可用來精確(que)測量低振動(dong)量級的振(zhen)動(dong)，又(you)可在高低溫下(xia)不加冷(leng)卻(que)或(huo)溫(wen)度(du)補(bu)償進(jin)行(xing)精(jing)確測量，穩定(ding)性(xing)優(you)異(yi)。P-14型高(gao)溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料已(yi)批量化應(ying)用於美國(guo)Endevco公(gong)司(si)482℃高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器（6233C—10 /50 /100等(deng)）。

4） P-15型高溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料：為美國(guo)Endevco公(gong)司(si)的(de)產(chan)品，為鈮酸鋰(li)系(xi)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料，具有(you)高(gao)電(dian)荷靈(ling)敏(min)度(du)且(qie)可用於溫度(du)（Tc≈1188℃），目前(qian)用(yong)其已制造(zao)出(chu)溫度*高(gao)的(de)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器，最高(gao)溫度(du)可達760℃。美(mei)國(guo)Endevco公(gong)司(si)6240M10等(deng)高溫壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器均(jun)使用該(gai)材(cai)料。

5） Pz46型高溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料：為丹麥Ferroperm公(gong)司開(kai)發產(chan)品(pin)，居(ju)裏溫度(du)大於600℃，最高(gao)使用溫度可達550℃。其(qi)顯微(wei)結(jie)構(gou)致密、晶粒(li)大小均(jun)勻，同時其壓(ya)電性(xing)能(neng)和(he)電(dian)阻(zu)率(lv)具有(you)優(you)異(yi)的溫(wen)度(du)穩定(ding)性(xing)，已(yi)成功(gong)應用(yong)於美國(guo)Endevco公(gong)司(si)482℃高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器（2248，2276等(deng)）。

4.2 國(guo)內(nei)研究(jiu)應(ying)用進(jin)展

在國(guo)內(nei)，中(zhong)國(guo)科學(xue)院(yuan)上海矽酸鹽研究(jiu)所(suo)、四川(chuan)大學、同濟(ji)大學、山東大學等(deng)單位(wei)針(zhen)對(dui)高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器用鉍層狀(zhuang)結(jie)構(gou)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料也開(kai)展了系(xi)列(lie)化研究(jiu)，取(qu)得(de)了(le)階(jie)段(duan)性(xing)成(cheng)果(guo)，並實現(xian)小批量生產。其中(zhong)，中(zhong)國(guo)科學(xue)院(yuan)上海矽酸鹽研制的(de)CBT 材(cai)料是國(guo)內(nei)早(zao)期實現(xian)小批量應(ying)用的(de)高(gao)溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料，具有(you)高(gao)居(ju)裏溫度(du)和(he)高(gao)壓(ya)電系(xi)數(shu)特點，長期使用溫度範(fan)圍(wei)-55 ～ 482℃、壓(ya)電系(xi)數(shu)d33≥18 pC/N。但與(yu)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料相(xiang)比(bi)，在長時溫度穩定(ding)性(xing)、機(ji)載環(huan)境適應(ying)性(xing)等(deng)方面尚(shang)存在(zai)壹定差(cha)距(ju)，亟(ji)待進(jin)壹步(bu)提高壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料壓(ya)電性(xing)能(neng)、電(dian)阻(zu)率(lv)、高溫(wen)工作特性(xing)和(he)溫(wen)度穩定(ding)性(xing)等(deng)性(xing)能(neng)，以(yi)滿(man)足(zu)航(hang)空發動(dong)機健康管(guan)理系(xi)統振動(dong)測試發(fa)展需求。

表3為上述國(guo)內(nei)外(wai)典(dian)型高(gao)溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)。

表3 國(guo)內(nei)外(wai)典(dian)型高(gao)溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料主(zhu)要(yao)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)

5 結(jie)束(shu)語(yu)

近(jin)年來，隨(sui)著(zhe)航空(kong)發動(dong)機健康管(guan)理系(xi)統振動(dong)狀(zhuang)態(tai)監測日(ri)益(yi)受(shou)到(dao)重視，高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器需求量逐(zhu)年(nian)攀升(sheng)，高溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料的(de)應用範(fan)圍(wei)也越(yue)來越(yue)廣(guang)。高(gao)溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器及壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料在(zai)航空發(fa)動(dong)機及其(qi)他(ta)高(gao)溫振動(dong)監測領(ling)域必(bi)將擁有(you)廣闊(kuo)的市場應用前(qian)景(jing)。然而，國(guo)內(nei)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器及陶(tao)瓷(ci)材(cai)料研制生產單位(wei)應(ying)加(jia)大以(yi)下(xia)幾方面研究(jiu)。

1） 加大可靠性(xing)研究(jiu)，解(jie)決制(zhi)約(yue)高溫壓(ya)電傳(chuan)感器(qi)性(xing)能(neng)的(de)根(gen)本(ben)原(yuan)因，提升(sheng)260℃和(he)482℃系(xi)列(lie)傳感器可靠性(xing)和(he)長(chang)時高溫工作(zuo)性(xing)能(neng)；

2） 開(kai)展高溫寬(kuan)頻壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器（-55 ～ 482℃，1 Hz ～12.8kHz）和(he)650℃以(yi)上(shang)的(de)超(chao)高溫(wen)壓(ya)電振(zhen)動(dong)傳感(gan)器研發，突(tu)破振(zhen)動(dong)傳感(gan)器技術瓶頸；

3） 提升(sheng)高溫(wen)壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料長(chang)時工作穩定(ding)性(xing)、機(ji)載環(huan)境適應(ying)性(xing)，進(jin)壹步(bu)提高壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料壓(ya)電性(xing)能(neng)、電(dian)阻(zu)率(lv)、高溫(wen)工作特性(xing)和(he)溫(wen)度穩定(ding)性(xing)等(deng)性(xing)能(neng)，滿(man)足(zu)航(hang)空發動(dong)機健康管(guan)理系(xi)統振動(dong)測量發(fa)展需求；

4） 加強(qiang)高(gao)校、科研院所(suo)及生產單位(wei)的(de)產(chan)學(xue)研合作(zuo)，盡(jin)快形(xing)成(cheng)從壓(ya)電元(yuan)件到(dao)傳感(gan)器研發、生產、測試的(de)完(wan)整(zheng)產業(ye)鏈條(tiao)，加快國(guo)內(nei)振(zhen)動(dong)傳感(gan)技術發展。

以(yi)下(xia)是我們(men)單(dan)位(wei)為國(guo)內(nei)關(guan)於高溫(wen)壓(ya)電測試系(xi)統的相(xiang)關(guan)資料和(he)技(ji)術參數(shu)

壹、用途(tu)概述：

 GDPT-900A型變(bian)溫(wen)壓(ya)電d33測量系(xi)統是我院(yuan)研制的(de)即(ji)可低溫測試D33系(xi)數(shu)，又(you)可以(yi)高(gao)溫(wen)測試D33系(xi)數(shu)。主(zhu)要(yao)是針(zhen)對(dui)高(gao)低溫壓(ya)電陶(tao)瓷材(cai)料和(he)薄(bo)膜材(cai)料的(de)測試。

二、主(zhu)要(yao)應用(yong)領(ling)域：無(wu)損(sun)檢測超(chao)聲檢測，醫療超(chao)聲檢測，航空航(hang)天(tian)，石油(you)天然(ran)器，汽(qi)車(che)物聯網，工(gong)業(ye)，消費(fei)者(zhe)程(cheng)序(xu)等(deng)。

二、主(zhu)要(yao)技術(shu)參數(shu)：

1、d33測量範(fan)圍(wei)：1PC/N-6000PC/N(1.5PC-30000PC)

2、力(li)顯示：0.01-4N

3、電源：電(dian)壓(ya)220V

4、溫度範(fan)圍(wei)：溫(wen)度(du)-100℃至(zhi)+500℃

5、溫控精(jing)度(du)：溫度(du)顯示精度0.01℃，溫度(du)控制(zhi)精(jing)度±0.1℃，溫(wen)度漂(piao)移優(you)於±0.1℃內，超(chao)調≤0.1℃。

6、升(sheng)溫斜率(lv)：0.00至(zhi)5.00℃/min，典(dian)型值(zhi)2.00℃/min。

7、間隔保(bao)溫：0.10至(zhi)50.00℃/點，保(bao)溫5分(fen)鐘即(ji)可達到(dao)溫度(du)最佳穩定(ding)狀(zhuang)態(tai)。

8、樣(yang)品(pin)夾具：夾持雙面(mian)電極(ji)樣(yang)品(pin)，直(zhi)徑(jing)小(xiao)於30mm，厚度小(xiao)於5mm。

9、測量環(huan)境：低溫、高溫、空(kong)氣等(deng)。

10、電極(ji)材(cai)料：耐高溫電極(ji)。

11、制冷方式(shi)：液氮控制(zhi)系(xi)統

12、顯示：液晶顯(xian)示

13、采(cai)集方式(shi)：USB2.0高(gao)速數(shu)據

14、總重量: 15kg左(zuo)右(you)。

15、軟件：專用軟件自(zi)動(dong)測試溫(wen)度(du)與(yu)壓(ya)電系(xi)數(shu)的關(guan)系(xi)變(bian)化