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上海硅酸鹽所在高溫壓電陶瓷材料研究中取得系列進展
發布時間: 2022-04-19 09:59 | 【 【打印】【關閉】

  鉍層狀結構高溫壓電陶瓷是一類重要的功能材料,其典型代表鈦酸鉍(Bi4Ti3O12,簡稱BIT)是國際上482℃高溫壓電振動傳感器用壓電材料的首選,廣泛應用于航空航天、核能領域在高溫、高輻照、復雜振動等嚴苛環境下對關鍵裝備的振動監測和健康管理。BIT壓電陶瓷的居里溫度(TC = 675℃)高,但由于其晶體結構決定自發極化方向受到二維限制導致壓電系數偏低(d33 < 7pC/N),以及高溫電阻率較低(ρ < 104 Ω·cm @ 500℃)導致漏電流偏大,嚴重制約了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,通過離子對效應和A/B位協同摻雜改性來提高BIT基陶瓷的壓電性能并系統研究了結構與壓電性之間的構效關系。根據獨特的層狀晶體結構特點,運用等價離子對調控策略,設計了Bi4Ti3-x(Zn1/3Nb2/3)xO12壓電陶瓷體系。引入Nb5+-Zn2+-Nb5+離子對后,顯著抑制了導載流子的遷移,500 °C時的直流電阻率提高了兩個數量級,達到1.2×107 Ω·cm;同時,Nb5+-Zn2+-Nb5+離子對細化了鐵電疇結構,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的組成設計,獲得了最大壓電系數(d3330.5 pC/N)同時保持了高居里溫度(Tc657 °C),并且定向鐵電疇具有優異的溫度穩定性。研究成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces,14,14321-143302022。 

  根據BIT的鐵電性起源,采用A/B位協同摻雜的策略,設計了Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12壓電陶瓷體系。Ce/W/Nb協同摻雜顯著增強了與d33相關的PFM面外響應信號,同時疇壁變為光滑平面,減弱釘扎效應,壓電性能也大幅提高;通過極化處理后,Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12陶瓷的鐵電疇沿外電場方向排列更加充分,并且重新定向的鐵電疇具有不可逆性。采用協同摻雜的策略,獲得了一系列具有優異壓電性能的BIT基陶瓷,最優組分Bi3.97Ce0.03Ti2.98(WNb)0.01O12陶瓷的壓電系數d33高達40.2 pC/N,是目前報道的BIT基陶瓷壓電系數d33最大值。研究成果發表在Advanced Electronic Materials,2101266,2022。 

  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用驗證,有望實現500 °C及以上的高溫壓電陶瓷元件國產化。 

  論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士研究生謝新春,通訊作者為董顯林研究員和周志勇研究員。研究工作得到了國家自然科學基金重點項目、上海市科委面上項目資助。 

  相關鏈接: 

  https://doi.org/10.1021/acsami.1c19445 

  https://doi.org/10.1002/aelm.202101266 

 

(a) BIT基陶瓷晶體結構示意圖,(b)(c) Bi4Ti3-x(Zn1/3Nb2/3)xO12陶瓷鐵電疇變化示意圖,(d)(e) Bi4Ti3-x(Zn1/3Nb2/3)xO12陶瓷中載流子遷移模型

 

(a) Bi4Ti2.93(Zn1/3Nb2/3)0.07O12陶瓷鐵電疇結構的TEM圖像,(b) (c)分別是區域12的鐵電疇結構的TEM圖像,(d)、(e)、(f)(g)分別為A、B、CD區的衍射斑點

PFM信號示意圖: (a) VPFM, (b) LPFM;Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12樣品的PFM測試結果:(c1-c4)(e1-e4)分別為x = 0x = 0.03樣品的VPFM幅值、VPFM幅值分布統計、VPFM相角、沿圖(c3)(e3)中的劃線VPFM相角變化;(d1-d4)(f1-f4)分別為x = 0x = 0.03LPFM幅值、LPFM幅值分布統計、LPFM相角、沿圖(d3)(f3)中的劃線LPFM相角變化

 

BIT基陶瓷中d33Tc之間的關系總結

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