上海硅酸鹽所在鉛基高溫壓電陶瓷材料研究中取得系列進(jìn)展

BiScO₃-PbTiO₃(BS-PT)高溫壓電陶瓷是一類非常重要的功能陶瓷材料，因其高居里溫度（T_C: ~450℃）和高壓電系數(shù)（d₃₃: ~450pC/N），自2001年被發(fā)現(xiàn)以來，一直被認(rèn)為是300℃以上壓電傳感器、換能器等高溫壓電器件最具應(yīng)用潛力的核心敏感鉛基壓電陶瓷元件。但是BS-PT壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性差及退極化溫度（T_d）低，極大限制了其在實(shí)際高溫領(lǐng)域中的應(yīng)用。

近日，中國科學(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)通過微結(jié)構(gòu)調(diào)控和組成設(shè)計優(yōu)化等策略，對BS-PT壓電陶瓷開展了系列研究，并取得了系列進(jìn)展。基于晶格畸變和對稱演化理論，設(shè)計了BiScO₃-PbTiO₃-Bi(Sn_1/3Nb_2/3)O₃(BS-PT-BSN)高溫壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)對壓電性能（d₃₃從380 pC/N提高至450 pC/N）和溫度穩(wěn)定性（T_d從250℃提高至330℃）的雙重調(diào)控。進(jìn)一步通過TEM / PFM / XRD等跨尺度結(jié)構(gòu)表征，揭示了其性能提升的關(guān)鍵因素是豐富疇形態(tài)的形成和疇密度的提高，驗(yàn)證了四方相結(jié)構(gòu)是提高溫度穩(wěn)定性的重要依據(jù)，相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materiomics, 2022, 8:319-326和Journal of the American Ceramic Society, 2022, 105:1558-1567，并獲授權(quán)發(fā)明專利一項(xiàng)（ZL202010119516.3）。

通過軌道雜化提高A-O及B-O鍵的結(jié)合力，設(shè)計了BiScO₃-PbTiO₃-Zn/Bi高溫壓電陶瓷，制備了兼具高壓電性能（從380pC/N提高至490pC/N）、高居里溫度（428℃）、高退極化溫度（從250℃提高至410℃）的新型BS-PT鉛基壓電陶瓷材料。通過原位 XRD / Raman / PFM等手段，從本征和非本征等角度闡明了優(yōu)異溫度穩(wěn)定性的內(nèi)在物理機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表在Journal of the American Ceramic Society, 2022,105:6898-6909，同時獲授權(quán)發(fā)明專利一項(xiàng)（ZL202110602399.0）。

以上述高溫度穩(wěn)定性、高壓電性能的壓電陶瓷為核心元件，制備了4.5MHz的超聲換能器樣件。該超聲換能器在380℃和450℃高溫模擬環(huán)境中長時間（24h/14h）穩(wěn)定工作后，靈敏度依然維持在470mV。此外，在室溫到450℃溫區(qū)內(nèi)保證高-6dB帶寬（>95%），高于傳統(tǒng)PZT陶瓷換能器（~60%），有望應(yīng)用于深部石油勘探、壓電噴油閥等領(lǐng)域中。相關(guān)成果發(fā)表在Sensors and Actuators, 2022, 340,113528。

上海硅酸鹽所董亞珠博士研究生為論文第一作者，周志勇研究員為通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院科研儀器研制項(xiàng)目的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmat.2021.09.004

https://doi.org/10.1111/jace.18157

https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113528

https://doi.org/10.1111/jace.18616.

不同組成設(shè)計的疇形貌：(A) BS-PT, (B) BS-PT-BSN

不同相結(jié)構(gòu)的鐵電性溫度穩(wěn)定性：(A) 三方相x = 0.59, (B) MPB x = 0.63,(C) 四方相 x = 0.65

BS-PT基高溫?fù)Q能器(A)實(shí)物圖，(B)示意圖，(C)細(xì)節(jié)放大圖

高溫?fù)Q能器在高溫下的不同保溫時間脈沖回波圖 (A) 380℃，

(B) 450℃