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（T_C = 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(Zn_1/3Nb_2/3)_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（T_c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Bi_4-xCe_xTi_2.98(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，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(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Bi_4-xCe_xTi_2.98(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。