上海硅酸盐所在高温压电陶瓷研究中取得系列进展

中国粉体网讯  随着航空航天等领域的快速发展，高温压电传感器的市场需求量在不断上升。压电陶瓷作为高温压电传感器的核心器件之一，压电陶瓷材料性能的优劣势必会影响高温压电传感器的性能以及使用，比如压电陶瓷的居里温度会影响压电传感器的使用温度、压电常数会影响压电传感器的灵敏度，因此选用性能优良的高温压电陶瓷对于制备高性能的高温传感器是至关重要的。

铋层状压电陶瓷的晶体结构图

铋层状结构高温压电陶瓷是一类重要的功能材料，其化学通式可以写为(Bi₂O₂)²⁺(A_m-1B_mO_3m+1)^2-，铋层状结构化合物的晶体结构是由一层(Bi₂O₂)²⁺层（类萤石结构）和一层(A_m-1B_mO_3m+1)^2-层（类钙钛矿结构）沿c轴方向交替排列而成。目前，国内外报道了很多具有高居里温度的铋层状压电陶瓷，如CaBi₂Nb₂O₉，Bi₄Ti₃O₁₂（BIT），CaBi₄Ti₄O₁₅等，但是上述铋层状压电陶瓷的压电活性都很低(d33<20pC/N)。低的压电活性使铋层状压电陶瓷很难达到高温压电传感器的要求。为了让铋层状压电陶瓷更好的应用到高温压电传感器中，研究人员通常采用工艺改善和掺杂取代等方法对铋层状压电材料进行改性。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所压电陶瓷材料与器件研究团队，通过离子对效应和A/B位协同掺杂改性来提高BIT基陶瓷的压电性能并系统研究了结构与压电性之间的构效关系。根据独特的层状晶体结构特点，运用等价离子对调控策略，设计了Bi₄Ti_3-x(Zn_1/3Nb_2/3)_xO₁₂压电陶瓷体系。引入Nb⁵⁺-Zn²⁺-Nb⁵⁺离子对后，显著抑制了导载流子的迁移，500°C时的直流电阻率提高了两个数量级，达到1.2×10⁷Ω•cm；同时，Nb⁵⁺-Zn²⁺-Nb⁵⁺离子对细化了铁电畴结构，形成宽度为100nm~200nm、有利于充分取向的条形铁电畴。其中，x=0.07的组成设计，获得了最大压电系数（d33为30.5pC/N）同时保持了高居里温度（Tc为657°C），并且定向铁电畴具有优异的温度稳定性。研究成果发表在ACSAppliedMaterials&Interfaces，14，14321-14330：2022。

Bi4Ti3O12基陶瓷中d33和Tc之间的关系总结

另外，根据Bi₄Ti₃O₁₂的铁电性起源，采用A/B位协同掺杂的策略，设计了Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂压电陶瓷体系。Ce/W/Nb协同掺杂显著增强了与d33相关的PFM面外响应信号，同时畴壁变为光滑平面，减弱钉扎效应，压电性能也大幅提高；通过极化处理后，Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂陶瓷的铁电畴沿外电场方向排列更加充分，并且重新定向的铁电畴具有不可逆性。采用协同掺杂的策略，获得了一系列具有优异压电性能的BIT基陶瓷，最优组分Bi_3.97Ce_0.03Ti_2.98(WNb)_0.01O₁₂陶瓷的压电系数d33高达40.2pC/N，是目前报道的BIT基陶瓷压电系数d33最大值。研究成果发表在AdvancedElectronicMaterials，2101266，2022。

这两类系列BIT高温压电陶瓷材料正在进行高温压电振动传感器的应用验证，有望实现500°C及以上的高温压电陶瓷元件国产化。

参考来源：

[1]上海硅酸盐研究所

[2]王海圣等.应用于高温压电传感器的铋层状无铅压电陶瓷综述

（中国粉体网编辑整理/山川）

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