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      English  |  上海硅酸鹽所  |  中國科學院  
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    上海硅酸鹽所在高溫壓電陶瓷材料研究中取得系列進展
    發布時間:2021-01-11

      鉍層狀結構鈦酸鉍(Bi4Ti3O12,簡稱BIT)高溫壓電陶瓷是一類重要的功能材料,是國際上482高溫壓電振動傳感器用壓電材料的首選,廣泛應用于航空航天、核能等領域對關鍵裝備在高溫嚴苛環境下的振動監測。BIT壓電陶瓷的居里溫度(TC = 675)高,但由于其晶體結構決定自發極化方向受到二維限制導致壓電系數偏低(d33 < 7pC/N),以及高溫電阻率較低(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。 

      中國科學院上海硅酸鹽研究所董顯林研究員團隊,根據BIT特殊的層狀晶體結構特點,在微結構調控和組成優化設計兩方面開展了一系列研究工作。采用“熔鹽法”制備不等軸晶粒并結合無壓燒結的新組合工藝,發現通過調控成型過程的單軸壓力大小,可獲得不同的晶粒取向度,進一步研究了不同取向度織構陶瓷在無壓燒結工藝中的晶粒生長過程,確定了成型壓力是晶粒取向的主要驅動力;采用該新組合工藝,成功制備了高度取向(f = 0.83)的BIT基壓電陶瓷,平行方向壓電系數d33提高了4倍左右,達到了 29.7pC/N。該方法為設計和制備高取向織構化壓電陶瓷材料提供重要指導。 

      在組成設計方面,基于“離子對效應”,分別采用(W1/2Nb1/2)4+δ(Mn1/3Nb2/3)4+δ復合離子組合調控BIT氧八面體的旋轉和振動模式,以及誘導反相疇界的形成,從而有利于鐵電疇的成核,形成大量條形鐵電疇,細化了鐵電疇,豐富了疇壁密度,獲得了高壓電性能(d33 32.0 pC/N和高電阻率(3.0×106Ω·cm @ 500)陶瓷材料,為我國BIT高溫壓電陶瓷材料的實際應用奠定了有力基礎。 

      相關成果以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”為題,分別發表在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。 

      相關研究工作得到國家自然科學基金重點項目(No.51932010)、面上項目(No.51972322)和上海市自然科學基金項目(No.19ZR464600)資助。論文第一作者分別為上海硅酸鹽所在讀碩士研究生姜東偉和博士研究生謝新春,通訊作者為周志勇副研究員和董顯林研究員。

    陶瓷不同階段的過程及表面形貌SEM圖:(a)(e)反應過程,粉體f = 0;(b)(f)成型過程,素坯表面f = 0.63;(c)(g)排膠過程,素坯表面f = 0.68;(d)(h)燒結過程,陶瓷表面f = 0.83
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