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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展
發布時間: 2022-09-18 23:40 | 【 【打印】【關閉】

  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TC: ~450℃)和高壓電系數d33: ~450pC/N,自2001年被發現以來,一直被認為是300℃以上壓電傳感器、換能器等高溫壓電器件最具應用潛力的核心敏感鉛基壓電陶瓷元件。但是BS-PT壓電陶瓷的溫度穩定性差及退極化溫度(Td)低,極大限制了其在實際高溫領域中的應用。 

  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微結構調控和組成設計優化等策略,對BS-PT壓電陶瓷開展了系列研究,并取得了系列進展。基于晶格畸變和對稱演化理論,設計了BiScO3-PbTiO3-Bi(Sn1/3Nb2/3)O3(BS-PT-BSN)高溫壓電陶瓷,實現對壓電性能(d33380 pC/N提高至450 pC/N)和溫度穩定性(Td250℃提高至330℃)的雙重調控。進一步通過TEM / PFM / XRD等跨尺度結構表征,揭示了其性能提升的關鍵因素是豐富疇形態的形成和疇密度的提高,驗證了四方相結構是提高溫度穩定性的重要依據,相關研究成果發表在Journal of Materiomics, 2022, 8:319-326Journal of the American Ceramic Society, 2022, 105:1558-1567,并獲授權發明專利一項ZL202010119516.3)。 

  通過軌道雜化提高A-OB-O鍵的結合力,設計了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異溫度穩定性的內在物理機制。相關成果發表在Journal of the American Ceramic Society, 2022,105:6898-6909,同時獲授權發明專利一項(ZL202110602399.0)。 

  以上述高溫度穩定性、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℃高溫模擬環境中長時間(24h/14h)穩定工作后,靈敏度依然維持在470mV。此外,在室溫到450℃溫區內保證高-6dB帶寬(>95%),高于傳統PZT陶瓷換能器(~60%),有望應用于深部石油勘探、壓電噴油閥等領域中。相關成果發表在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基金、中科院科研儀器研制項目的支持。 

  相關鏈接: 

  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. 

  

不同組成設計的疇形貌:(A) BS-PT, (B) BS-PT-BSN

不同相結構的鐵電性溫度穩定性:(A) 三方相x = 0.59, (B) MPB x = 0.63,  (C) 四方相 x = 0.65 

  

BS-BPZnT陶瓷的(A)原位d33(B)原位d33的變化率隨溫度的變化

BS-PT基高溫換能器(A)實物圖,(B)示意圖,(C)細節放大圖

高溫換能器在高溫下的不同保溫時間脈沖回波圖 (A) 380℃,(B) 450℃

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