上海硅酸鹽所高溫壓電陶瓷材料研究取得進展

鉍層狀結構高溫壓電陶瓷是重要的功能材料，其典型代表鈦酸鉍（Bi₄Ti₃O₁₂，簡稱BIT）是上482 ℃高溫壓電振動傳感器用壓電材料的，應用于航空航天、核能領域在高溫、高輻照、復雜振動等嚴苛環(huán)境下對關鍵裝備的振動監(jiān)測和健康管理。BIT壓電陶瓷的居里溫度（T_C = 675 ℃）高，但其晶體結構決定自發(fā)極化方向受到二維限制導致壓電系數偏低（d₃₃ < 7pC/N），高溫電阻率較低（ρ < 10⁴ Ω·cm @ 500 ℃）導致漏電流偏大，制約了BIT壓電陶瓷在高溫領域中的實際應用。

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和A/B位協同摻雜改性來提高BIT基陶瓷的壓電性能，并探究了結構與壓電性之間的構效關系。研究根據*的層狀晶體結構特點，運用等價離子對調控策略，設計出Bi₄Ti₃-_x(Zn_1/3Nb_2/3)_xO₁₂壓電陶瓷體系。引入Nb⁵⁺-Zn²⁺-Nb⁵⁺離子對后，顯著抑制了導載流子的遷移，500 ℃時的直流電阻率提高了兩個數量級，達到1.2×10⁷Ω·cm；同時，Nb⁵⁺-Zn²⁺-Nb⁵⁺離子對細化了鐵電疇結構，形成寬度為100nm~200 nm，有利于充分取向的條形鐵電疇。其中，x = 0.07的組成設計，獲得了大壓電系數（d₃₃為30.5 pC/N）且保持了高居里溫度（T_c為657 ℃），同時，定向鐵電疇具有優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。相關成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

研究根據BIT的鐵電性起源，采用A/B位協同摻雜的策略，設計了Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂壓電陶瓷體系。Ce/W/Nb協同摻雜顯著增強了與d₃₃相關的PFM面外響應信號，同時疇壁變?yōu)楣饣矫?，減弱釘扎效應，壓電性能也大幅提高；極化處理后，Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂陶瓷的鐵電疇沿外電場方向排列加充分，且重新定向的鐵電疇具有不可逆性。研究采用協同摻雜的策略，獲得了一系列具有優(yōu)異壓電性能的BIT基陶瓷，優(yōu)組分Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂陶瓷的壓電系數d₃₃高達40.2 pC/N，這是目前報道的BIT基陶瓷壓電系數d₃₃大值。相關成果發(fā)表在Advanced Electronic Materials上。

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用驗證，有望實現500 ℃及以上的高溫壓電陶瓷元件國產化。研究工作得到國家自然科學基金重點項目、上海市科學技術委員會面上項目的支持。