上海矽酸鹽所高溫壓電陶瓷材料研究取得進展

上海矽酸鹽所高溫壓電陶瓷材料研究取得進展

鉍層狀結構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(chuan) 感器用壓電材料的，應用於(yu) 航空航天、核能領域在高溫、高輻照、複雜振動等嚴(yan) 苛環境下對關(guan) 鍵裝備的振動監測和健康管理。BIT壓電陶瓷的居裏溫度（T_C = 675 ℃）高，但其晶體(ti) 結構決(jue) 定自發極化方向受到二維限製導致壓電係數偏低（d₃₃ < 7pC/N），高溫電阻率較低（ρ < 10⁴ Ω·cm @ 500 ℃）導致漏電流偏大，製約了BIT壓電陶瓷在高溫領域中的實際應用。

近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所壓電陶瓷材料與(yu) 器件研究團隊通過離子對效應和A/B位協同摻雜改性來提高BIT基陶瓷的壓電性能，並探究了結構與(yu) 壓電性之間的構效關(guan) 係。研究根據*的層狀晶體(ti) 結構特點，運用等價(jia) 離子對調控策略，設計出Bi₄Ti₃-_x(Zn_1/3Nb_2/3)_xO₁₂壓電陶瓷體(ti) 係。引入Nb⁵⁺-Zn²⁺-Nb⁵⁺離子對後，顯著抑製了導載流子的遷移，500 ℃時的直流電阻率提高了兩(liang) 個(ge) 數量級，達到1.2×10⁷Ω·cm；同時，Nb⁵⁺-Zn²⁺-Nb⁵⁺離子對細化了鐵電疇結構，形成寬度為(wei) 100nm~200 nm，有利於(yu) 充分取向的條形鐵電疇。其中，x = 0.07的組成設計，獲得了大壓電係數（d₃₃為(wei) 30.5 pC/N）且保持了高居裏溫度（T_c為(wei) 657 ℃），同時，定向鐵電疇具有優(you) 異的溫度穩定性。相關(guan) 成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

研究根據BIT的鐵電性起源，采用A/B位協同摻雜的策略，設計了Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂壓電陶瓷體(ti) 係。Ce/W/Nb協同摻雜顯著增強了與(yu) d₃₃相關(guan) 的PFM麵外響應信號，同時疇壁變為(wei) 光滑平麵，減弱釘紮效應，壓電性能也大幅提高；極化處理後，Bi_4-xCe_xTi_2.98(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。研究采用協同摻雜的策略，獲得了一係列具有優(you) 異壓電性能的BIT基陶瓷，優(you) 組分Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂陶瓷的壓電係數d₃₃高達40.2 pC/N，這是目前報道的BIT基陶瓷壓電係數d₃₃大值。相關(guan) 成果發表在Advanced Electronic Materials上。

這兩(liang) 類係列BIT高溫壓電陶瓷材料正在進行高溫壓電振動傳(chuan) 感器的應用驗證，有望實現500 ℃及以上的高溫壓電陶瓷元件國產(chan) 化。研究工作得到國家自然科學基金重點項目、上海市科學技術委員會(hui) 麵上項目的支持。