中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，高溫壓電傳感器的市場(chǎng)需求量在不斷上升。壓電陶瓷作為高溫壓電傳感器的核心器件之一，壓電陶瓷材料性能的優(yōu)劣勢(shì)必會(huì)影響高溫壓電傳感器的性能以及使用，比如壓電陶瓷的居里溫度會(huì)影響壓電傳感器的使用溫度、壓電常數(shù)會(huì)影響壓電傳感器的靈敏度，因此選用性能優(yōu)良的高溫壓電陶瓷對(duì)于制備高性能的高溫傳感器是至關(guān)重要的。
鉍層狀壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)圖
鉍層狀結(jié)構(gòu)高溫壓電陶瓷是一類重要的功能材料，其化學(xué)通式可以寫(xiě)為(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物的晶體結(jié)構(gòu)是由一層(Bi2O2)2+層（類螢石結(jié)構(gòu)）和一層(Am-1BmO3m+1)2-層（類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)）沿c軸方向交替排列而成。目前，國(guó)內(nèi)外報(bào)道了很多具有高居里溫度的鉍層狀壓電陶瓷，如CaBi2Nb2O9，Bi4Ti3O12（BIT），CaBi4Ti4O15等，但是上述鉍層狀壓電陶瓷的壓電活性都很低(d33<20pC/N)。低的壓電活性使鉍層狀壓電陶瓷很難達(dá)到高溫壓電傳感器的要求。為了讓鉍層狀壓電陶瓷更好的應(yīng)用到高溫壓電傳感器中，研究人員通常采用工藝改善和摻雜取代等方法對(duì)鉍層狀壓電材料進(jìn)行改性。
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系統(tǒng)研究了結(jié)構(gòu)與壓電性之間的構(gòu)效關(guān)系。根據(jù)獨(dú)特的層狀晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用等價(jià)離子對(duì)調(diào)控策略，設(shè)計(jì)了Bi4Ti3-x(Zn1/3Nb2/3)xO12壓電陶瓷體系。引入Nb5+-Zn2+-Nb5+離子對(duì)后，顯著抑制了導(dǎo)載流子的遷移，500°C時(shí)的直流電阻率提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到1.2×107Ω•cm；同時(shí)，Nb5+-Zn2+-Nb5+離子對(duì)細(xì)化了鐵電疇結(jié)構(gòu)，形成寬度為100nm~200nm、有利于充分取向的條形鐵電疇。其中，x=0.07的組成設(shè)計(jì)，獲得了最大壓電系數(shù)（d33為30.5pC/N）同時(shí)保持了高居里溫度（Tc為657°C），并且定向鐵電疇具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。研究成果發(fā)表在ACSAppliedMaterials&Interfaces，14，14321-14330：2022。
Bi4Ti3O12基陶瓷中d33和Tc之間的關(guān)系總結(jié)
另外，根據(jù)Bi4Ti3O12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；通過(guò)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，并且重新定向的鐵電疇具有不可逆性。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)40.2pC/N，是目前報(bào)道的BIT基陶瓷壓電系數(shù)d33最大值。研究成果發(fā)表在AdvancedElectronicMaterials，2101266，2022。
這兩類系列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°C及以上的高溫壓電陶瓷元件國(guó)產(chǎn)化。
參考來(lái)源：
[1]上海硅酸鹽研究所
[2]王海圣等.應(yīng)用于高溫壓電傳感器的鉍層狀無(wú)鉛壓電陶瓷綜述
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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