上海硅酸鹽所高溫壓電陶瓷材料研究取得進(jìn)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(jiǎn) 稱(chēng)BIT）是國(guó)際上482℃高溫壓電振動(dòng)傳感器用壓電材料的首選，在高溫、高輻照、復(fù)雜振動(dòng)等嚴(yán)苛環(huán)境下對(duì)關(guān)鍵裝備的振動(dòng)監(jiān)測(cè)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，因此導(dǎo)致壓電系數(shù)偏低，高溫電阻率較低導(dǎo)致漏電流偏大，制約了BIT壓電陶瓷在高溫領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所壓電陶瓷材料與器件研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)離子對(duì)效應(yīng)和A/B位協(xié)同摻雜改性來(lái)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)BIT的鐵電性起源，采用A/B位協(xié)同摻雜的策略，設(shè)計(jì)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(qiáng)了與d33相關(guān)的PFM面外響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)疇壁變?yōu)楣饣矫?，減弱釘扎效應(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(chǎng)方向排列更加充分，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，最優(yōu)組分Bi3.97Ce0.03Ti2.98(WNb)0.01O12

陶瓷的壓電系數(shù)d33高達(dá)40.2 pC/N，這是目前報(bào)道的BIT基陶瓷壓電系數(shù)d33最大值。

BIT高溫壓電陶瓷材料正在進(jìn)行高溫壓電振動(dòng)傳感器的應(yīng)用驗(yàn)證，有望實(shí)現(xiàn)500℃及以上的高溫壓電陶瓷元件國(guó)產(chǎn)化。