上海硅酸鹽所高溫壓電陶瓷材料研究取得進展
鉍層狀結(jié)構(gòu)高溫壓電陶瓷是重要的功能材料,，其典型代表鈦酸鉍（Bi4Ti3O12,，簡稱BIT）是上482 ℃高溫壓電振動傳感器用壓電材料的，應(yīng)用于航空航天,、核能領(lǐng)域在高溫,、高輻照,、復(fù)雜振動等嚴苛環(huán)境下對關(guān)鍵裝備的振動監(jiān)測和健康管理。BIT壓電陶瓷的居里溫度（TC = 675 ℃）高,，但其晶體結(jié)構(gòu)決定自發(fā)極化方向受到二維限制導(dǎo)致壓電系數(shù)偏低（d33 < 7pC/N）,，高溫電阻率較低（ρ < 104 Ω·cm @ 500 ℃）導(dǎo)致漏電流偏大，制約了BIT壓電陶瓷在高溫領(lǐng)域中的實際應(yīng)用,。
近日,，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所壓電陶瓷材料與器件研究團隊通過離子對效應(yīng)和A/B位協(xié)同摻雜改性來提高BIT基陶瓷的壓電性能，并探究了結(jié)構(gòu)與壓電性之間的構(gòu)效關(guān)系,。研究根據(jù)*的層狀晶體結(jié)構(gòu)特點,，運用等價離子對調(diào)控策略，設(shè)計出Bi4Ti3-x(Zn1/3Nb2/3)xO12壓電陶瓷體系,。引入Nb5+-Zn2+-Nb5+離子對后,，顯著抑制了導(dǎo)載流子的遷移，500 ℃時的直流電阻率提高了兩個數(shù)量級,，達到1.2×107Ω·cm,；同時，Nb5+-Zn2+-Nb5+離子對細化了鐵電疇結(jié)構(gòu),，形成寬度為100nm~200 nm,，有利于充分取向的條形鐵電疇。其中,，x = 0.07的組成設(shè)計,，獲得了大壓電系數(shù)（d33為30.5 pC/N）且保持了高居里溫度（Tc為657 ℃），同時,，定向鐵電疇具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性,。相關(guān)成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。
研究根據(jù)BIT的鐵電性起源,，采用A/B位協(xié)同摻雜的策略,，設(shè)計了Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12壓電陶瓷體系,。Ce/W/Nb協(xié)同摻雜顯著增強了與d33相關(guān)的PFM面外響應(yīng)信號,，同時疇壁變?yōu)楣饣矫妫瑴p弱釘扎效應(yīng),，壓電性能也大幅提高,；極化處理后，Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12陶瓷的鐵電疇沿外電場方向排列加充分,，且重新定向的鐵電疇具有不可逆性,。研究采用協(xié)同摻雜的策略，獲得了一系列具有優(yōu)異壓電性能的BIT基陶瓷,，優(yōu)組分Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12陶瓷的壓電系數(shù)d33高達40.2 pC/N,，這是目前報道的BIT基陶瓷壓電系數(shù)d33大值,。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Electronic Materials上。
這兩類系列BIT高溫壓電陶瓷材料正在進行高溫壓電振動傳感器的應(yīng)用驗證,，有望實現(xiàn)500 ℃及以上的高溫壓電陶瓷元件國產(chǎn)化,。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點項目、上海市科學(xué)技術(shù)委員會面上項目的支持,。
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