上海硅酸盐所在高温压电陶瓷材料研究中取得系列进展

发布时间:2020-12-08

  铋层状结构钛酸铋(Bi4Ti3O12,简称BIT)高温压电陶瓷是一类重要的功能材料,是国际上482高温压电振动传感器用压电材料的首选,广泛应用于航空航天、核能等领域对关键装备在高温严苛环境下的振动监测。BIT压电陶瓷的居里温度(TC = 675)高,但由于其晶体结构决定自发极化方向受到二维限制导致压电系数偏低(d33 < 7pC/N),以及高温电阻率较低(ρ < 104 Ω·cm @ 500)导致漏电流偏大,制约了BIT压电陶瓷在高温领域中的实际应用。 

  中国科学院上海硅酸盐研究所董显林研究员团队,根据BIT特殊的层状晶体结构特点,在微结构调控和组成优化设计两方面开展了一系列研究工作。采用“熔盐法”制备不等轴晶粒并结合无压烧结的新组合工艺,发现通过调控成型过程的单轴压力大小,可获得不同的晶粒取向度,进一步研究了不同取向度织构陶瓷在无压烧结工艺中的晶粒生长过程,确定了成型压力是晶粒取向的主要驱动力;采用该新组合工艺,成功制备了高度取向(f = 0.83)的BIT基压电陶瓷,平行方向压电系数d33提高了4倍左右,达到了 29.7pC/N。该方法为设计和制备高取向织构化压电陶瓷材料提供重要指导。 

  在组成设计方面,基于“离子对效应”,分别采用(W1/2Nb1/2)4+δ(Mn1/3Nb2/3)4+δ复合离子组合调控BIT氧八面体的旋转和振动模式,以及诱导反相畴界的形成,从而有利于铁电畴的成核,形成大量条形铁电畴,细化了铁电畴,丰富了畴壁密度,获得了高压电性能(d33 32.0 pC/N和高电阻率(3.0×106Ω·cm @ 500)陶瓷材料,为我国BIT高温压电陶瓷材料的实际应用奠定了有力基础。 

  相关成果以Highly orientated Bi4Ti3O12 piezoceramics prepared by pressureless sintering“Enhanced piezoelectric properties and temperature stability of Bi4Ti3O12-based Aurivillius ceramics via W/Nb substitution”“Significantly enhanced piezoelectric performance in Bi4Ti3O12-based high-temperature piezoceramics via oxygen vacancy defects tailoring”为题,分别发表在Journal of the European Ceramic Society (2019, 39: 957-962)Journal of the European Ceramic Society2020, 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.09.039) Journal of Materiomics (2021, 10.1016/j.jmat.2020.08.003)上。 

  相关研究工作得到国家自然科学基金重点项目(No.51932010)、面上项目(No.51972322)和上海市自然科学基金项目(No.19ZR464600)资助。论文第一作者分别为上海硅酸盐所在读硕士研究生姜东伟和博士研究生谢新春,通讯作者为周志勇副研究员和董显林研究员。

陶瓷不同阶段的过程及表面形貌SEM图:(a)(e)反应过程,粉体f = 0(b)(f)成型过程,素坯表面f = 0.63(c)(g)排胶过程,素坯表面f = 0.68(d)(h)烧结过程,陶瓷表面f = 0.83
(Mn1/3Nb2/3)4+δ改性的BIT基陶瓷[001]晶带轴衍射斑点和铁电畴
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