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鉍層狀結(jié)構(gòu)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(yīng)用于航空航天、核能等領(lǐng)域?qū)﹃P(guān)鍵裝備在高溫嚴(yán)苛環(huán)境下的振動監(jiān)測。BIT壓電陶瓷的居里溫度（TC = 675℃）高，但由于其晶體結(jié)構(gòu)決定自發(fā)極化方向受到二維限制導(dǎo)致壓電系數(shù)偏低（d33 < 7pC/N），以及高溫電阻率較低（ρ?< 104 Ω·cm @ 500℃）導(dǎo)致漏電流偏大，制約了BIT壓電陶瓷在高溫領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。?

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所董顯林研究員團(tuán)隊(duì)，根據(jù)BIT特殊的層狀晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在微結(jié)構(gòu)調(diào)控和組成優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)合無壓燒結(jié)的新組合工藝，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控成型過程的單軸壓力大小，可獲得不同的晶粒取向度，進(jìn)一步研究了不同取向度織構(gòu)陶瓷在無壓燒結(jié)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(qū)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(shù)d33提高了4倍左右，達(dá)到了 29.7pC/N。該方法為設(shè)計(jì)和制備高取向織構(gòu)化壓電陶瓷材料提供重要指導(dǎo)。?

圖1.?陶瓷不同階段的過程及表面形貌SEM圖

在組成設(shè)計(jì)方面，基于“離子對效應(yīng)”，分別采用(W1/2Nb1/2)4+δ和(Mn1/3Nb2/3)4+δ復(fù)合離子組合調(diào)控BIT氧八面體的旋轉(zhuǎn)和振動模式，以及誘導(dǎo)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(xì)化了鐵電疇，豐富了疇壁密度，獲得了高壓電性能（d33 為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(shí)際應(yīng)用奠定了有力基礎(chǔ)。?

圖2.?(Mn1/3Nb2/3)4+δ改性的BIT基陶瓷[001]晶帶軸衍射斑點(diǎn)和鐵電疇

圖3.?(Mn1/3Nb2/3)4+δ改性的BIT基陶瓷壓電性能

相關(guān)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”和“Significantly enhanced piezoelectric performance in Bi4Ti3O12-based high-temperature piezoceramics via oxygen vacancy defects tailoring”

為題，分別發(fā)表在Journal of the European Ceramic Society (2019, 39: 957-962)、Journal of the European Ceramic Society（2020, 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.09.039)和 Journal of Materiomics (2021, 10.1016/j.jmat.2020.08.003)上。?

相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（No.51932010）、面上項(xiàng)目（No.51972322）和上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)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。

文章來源：中科院上海硅酸鹽研究所

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上海硅酸鹽所：高溫壓電陶瓷材料研究中取得系列進(jìn)展

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