中國粉體網(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)劣勢必會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影響壓電傳感器的使用溫度、壓電常數(shù)會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，其化學通式可以寫為(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，國內(nèi)外報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鉍層狀壓電材料進行改性。
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(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)獨特的層狀晶體結(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(dǎo)載流子的遷移，500°C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~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，獲得了最大壓電系數(shù)（d33為30.5pC/N）同時保持了高居里溫度（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；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(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40.2pC/N，是目前報道的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行高溫壓電振動傳感器的應(yīng)用驗證，有望實現(xiàn)500°C及以上的高溫壓電陶瓷元件國產(chǎn)化。
參考來源：
[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鉛壓電陶瓷綜述
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除
