上海矽酸鹽所高(gāo)溫壓電陶瓷材料研究取得(de)進展

上海矽酸鹽所高(gāo)溫壓電陶瓷材料研究取得(de)進展

铋層狀結構高(gāo)溫壓電陶瓷是重要的(de)功能材料，其典型代表钛酸铋（Bi₄Ti₃O₁₂，簡稱BIT）是上482 ℃高(gāo)溫壓電振動傳感器用(yòng)壓電材料的(de)，應用(yòng)于航空航天、核能領域在高(gāo)溫、高(gāo)輻照(zhào)、複雜(zá)振動等嚴苛環境下(xià)對(duì)關鍵裝備的(de)振動監測和(hé)健康管理(lǐ)。BIT壓電陶瓷的(de)居裏溫度（T_C = 675 ℃）高(gāo)，但其晶體結構決定自發極化(huà)方向受到二維限制導緻壓電系數偏低（d₃₃ < 7pC/N），高(gāo)溫電阻率較低（ρ < 10⁴ Ω·cm @ 500 ℃）導緻漏電流偏大(dà)，制約了(le)BIT壓電陶瓷在高(gāo)溫領域中的(de)實際應用(yòng)。

近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所壓電陶瓷材料與器件研究團隊通(tōng)過離子對(duì)效應和(hé)A/B位協同摻雜(zá)改性來(lái)提高(gāo)BIT基陶瓷的(de)壓電性能，并探究了(le)結構與壓電性之間的(de)構效關系。研究根據*的(de)層狀晶體結構特點，運用(yòng)等價離子對(duì)調控策略，設計出Bi₄Ti₃-_x(Zn_1/3Nb_2/3)_xO₁₂壓電陶瓷體系。引入Nb⁵⁺-Zn²⁺-Nb⁵⁺離子對(duì)後，顯著抑制了(le)導載流子的(de)遷移，500 ℃時(shí)的(de)直流電阻率提高(gāo)了(le)兩個(gè)數量級，達到1.2×10⁷Ω·cm；同時(shí)，Nb⁵⁺-Zn²⁺-Nb⁵⁺離子對(duì)細化(huà)了(le)鐵電疇結構，形成寬度爲100nm~200 nm，有利于充分(fēn)取向的(de)條形鐵電疇。其中，x = 0.07的(de)組成設計，獲得(de)了(le)大(dà)壓電系數（d₃₃爲30.5 pC/N）且保持了(le)高(gāo)居裏溫度（T_c爲657 ℃），同時(shí)，定向鐵電疇具有優異的(de)溫度穩定性。相關成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

研究根據BIT的(de)鐵電性起源，采用(yòng)A/B位協同摻雜(zá)的(de)策略，設計了(le)Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂壓電陶瓷體系。Ce/W/Nb協同摻雜(zá)顯著增強了(le)與d₃₃相關的(de)PFM面外響應信号，同時(shí)疇壁變爲光(guāng)滑平面，減弱釘紮效應，壓電性能也(yě)大(dà)幅提高(gāo)；極化(huà)處理(lǐ)後，Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂陶瓷的(de)鐵電疇沿外電場(chǎng)方向排列加充分(fēn)，且重新定向的(de)鐵電疇具有不可(kě)逆性。研究采用(yòng)協同摻雜(zá)的(de)策略，獲得(de)了(le)一系列具有優異壓電性能的(de)BIT基陶瓷，優組分(fēn)Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂陶瓷的(de)壓電系數d₃₃高(gāo)達40.2 pC/N，這(zhè)是目前報道的(de)BIT基陶瓷壓電系數d₃₃大(dà)值。相關成果發表在Advanced Electronic Materials上。

這(zhè)兩類系列BIT高(gāo)溫壓電陶瓷材料正在進行高(gāo)溫壓電振動傳感器的(de)應用(yòng)驗證，有望實現500 ℃及以上的(de)高(gāo)溫壓電陶瓷元件國産化(huà)。研究工作得(de)到國家自然科學基金重點項目、上海市科學技術委員(yuán)會面上項目的(de)支持。