上海矽酸(suan)鹽(yan)所高溫(wen)壓電(dian)陶(tao)瓷材料研(yan)究取得進(jin)展(zhan)

上海矽酸(suan)鹽(yan)所高溫(wen)壓電(dian)陶(tao)瓷材料研(yan)究取得進(jin)展(zhan)

鉍(bi)層(ceng)狀(zhuang)結(jie)構(gou)高溫(wen)壓電陶瓷是(shi)重要的功(gong)能(neng)材料，其(qi)典型代(dai)表鈦酸(suan)鉍(bi)（Bi₄Ti₃O₁₂，簡(jian)稱BIT）是(shi)上482 ℃高(gao)溫(wen)壓電(dian)振動(dong)傳感(gan)器用(yong)壓(ya)電(dian)材(cai)料的，應(ying)用(yong)於航空航(hang)天(tian)、核(he)能(neng)領域(yu)在(zai)高(gao)溫(wen)、高(gao)輻照、復(fu)雜(za)振動(dong)等嚴(yan)苛(ke)環境(jing)下對(dui)關鍵裝備(bei)的振動(dong)監測(ce)和健(jian)康管(guan)理。BIT壓(ya)電陶瓷的居裏溫(wen)度（T_C = 675 ℃）高(gao)，但其(qi)晶體(ti)結(jie)構(gou)決定自(zi)發(fa)極化(hua)方(fang)向受(shou)到二維(wei)限(xian)制導致(zhi)壓(ya)電(dian)系(xi)數偏(pian)低（d₃₃ < 7pC/N），高(gao)溫(wen)電阻(zu)率(lv)較低（ρ < 10⁴ Ω·cm @ 500 ℃）導(dao)致(zhi)漏(lou)電(dian)流(liu)偏(pian)大(da)，制約(yue)了(le)BIT壓(ya)電陶瓷在(zai)高(gao)溫(wen)領域(yu)中的實際(ji)應(ying)用(yong)。

近日，中國(guo)科學(xue)院(yuan)上海矽酸(suan)鹽(yan)研究所壓電(dian)陶瓷材料與(yu)器件(jian)研(yan)究(jiu)團隊(dui)通(tong)過(guo)離子(zi)對(dui)效應(ying)和A/B位(wei)協(xie)同摻雜(za)改性(xing)來提高(gao)BIT基(ji)陶(tao)瓷的壓電(dian)性(xing)能(neng)，並探(tan)究了(le)結(jie)構(gou)與壓(ya)電性(xing)之間(jian)的構(gou)效關系(xi)。研究(jiu)根據(ju)*的層(ceng)狀(zhuang)晶體(ti)結(jie)構(gou)特點(dian)，運用等價(jia)離子(zi)對(dui)調控(kong)策略(lve)，設(she)計出(chu)Bi₄Ti₃-_x(Zn_1/3Nb_2/3)_xO₁₂壓電(dian)陶瓷體(ti)系(xi)。引(yin)入Nb⁵⁺-Zn²⁺-Nb⁵⁺離子(zi)對(dui)後(hou)，顯著(zhu)抑(yi)制了(le)導(dao)載流子(zi)的遷移，500 ℃時的直(zhi)流電阻(zu)率(lv)提高(gao)了(le)兩個(ge)數量級，達(da)到1.2×10⁷Ω·cm；同時，Nb⁵⁺-Zn²⁺-Nb⁵⁺離子(zi)對(dui)細化(hua)了(le)鐵電(dian)疇結(jie)構(gou)，形成(cheng)寬(kuan)度(du)為100nm~200 nm，有(you)利(li)於(yu)充分取向的條形鐵電(dian)疇。其(qi)中，x = 0.07的組成設(she)計，獲(huo)得(de)了(le)大(da)壓電(dian)系(xi)數（d₃₃為30.5 pC/N）且(qie)保(bao)持了(le)高(gao)居裏溫(wen)度（T_c為657 ℃），同(tong)時，定向鐵電(dian)疇具有優(you)異的溫度(du)穩定(ding)性(xing)。相關成果(guo)發(fa)表在(zai)ACS Applied Materials & Interfaces上。

研(yan)究(jiu)根據(ju)BIT的鐵電(dian)性(xing)起源(yuan)，采用(yong)A/B位協(xie)同摻雜(za)的策略(lve)，設(she)計了(le)Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂壓(ya)電陶瓷體(ti)系(xi)。Ce/W/Nb協(xie)同摻雜(za)顯著(zhu)增(zeng)強了(le)與(yu)d₃₃相關的PFM面外響應(ying)信(xin)號，同時疇壁(bi)變(bian)為光滑平(ping)面(mian)，減(jian)弱釘(ding)紮效應(ying)，壓(ya)電性(xing)能(neng)也大(da)幅提高(gao)；極化(hua)處(chu)理(li)後(hou)，Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂陶(tao)瓷的鐵電(dian)疇沿(yan)外電場方(fang)向排(pai)列(lie)加(jia)充分，且重新定(ding)向的鐵電(dian)疇具有不(bu)可(ke)逆(ni)性(xing)。研究采(cai)用協(xie)同摻雜(za)的策略(lve)，獲得(de)了(le)壹系(xi)列(lie)具有優(you)異壓(ya)電(dian)性(xing)能(neng)的BIT基(ji)陶(tao)瓷，優(you)組分Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂陶瓷的壓電(dian)系(xi)數d₃₃高達(da)40.2 pC/N，這(zhe)是(shi)目前(qian)報道(dao)的BIT基(ji)陶(tao)瓷壓電(dian)系(xi)數d₃₃大(da)值(zhi)。相關成果(guo)發(fa)表在(zai)Advanced Electronic Materials上。

這(zhe)兩類系(xi)列(lie)BIT高溫(wen)壓(ya)電(dian)陶瓷材料正在(zai)進(jin)行(xing)高溫(wen)壓(ya)電振動(dong)傳感(gan)器的應(ying)用(yong)驗證，有望(wang)實現500 ℃及以(yi)上的高溫(wen)壓電(dian)陶(tao)瓷元件(jian)國(guo)產化(hua)。研(yan)究工(gong)作(zuo)得到國(guo)家(jia)自(zi)然(ran)科學(xue)基(ji)金(jin)重點項(xiang)目(mu)、上海市科學(xue)技(ji)術(shu)委員(yuan)會(hui)面(mian)上項(xiang)目(mu)的支持。