周志勇等在铅基高温压电陶瓷材料研究中取得系列进展

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BiScO3-PbTiO3(BS-PT)高温压电陶瓷是一类非常重要的功能陶瓷材料，因其高居里温度（TC: ~450℃）和高压电系数（d33: ~450pC/N），自2001年被发现以来，一直被认为是300℃以上压电传感器、换能器等高温压电器件最具应用潜力的核心敏感铅基压电陶瓷元件。但是BS-PT压电陶瓷的温度稳定性差及退极化温度（Td）低，极大限制了其在实际高温领域中的应用。
　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所压电陶瓷材料与器件研究团队通过微结构调控和组成设计优化等策略，对BS-PT压电陶瓷开展了系列研究，并取得了系列进展。基于晶格畸变和对称演化理论，设计了BiScO3-PbTiO3-Bi(Sn1/3Nb2/3)O3(BS-PT-BSN)高温压电陶瓷，实现对压电性能（d33从380 pC/N提高至450 pC/N）和温度稳定性（Td从250℃提高至330℃）的双重调控。进一步通过TEM / PFM / XRD等跨尺度结构表征，揭示了其性能提升的关键因素是丰富畴形态的形成和畴密度的提高，验证了四方相结构是提高温度稳定性的重要依据，相关研究成果发表在Journal of Materiomics, 2022, 8:319-326和Journal of the American Ceramic Society, 2022, 105:1558-1567，并获授权发明专利一项（ZL202010119516.3）。

不同组成设计的畴形貌：(A) BS-PT, (B) BS-PT-BSN

　　通过轨道杂化提高A-O及B-O键的结合力，设计了BiScO3-PbTiO3-Zn/Bi高温压电陶瓷，制备了兼具高压电性能（从380pC/N提高至490pC/N）、高居里温度（428℃）、高退极化温度（从250℃提高至410℃）的新型BS-PT铅基压电陶瓷材料。通过原位 XRD / Raman / PFM等手段，从本征和非本征等角度阐明了优异温度稳定性的内在物理机制。相关成果发表在Journal of the American Ceramic Society, 2022,105:6898-6909，同时获授权发明专利一项（ZL202110602399.0）。
　　以上述高温度稳定性、高压电性能的压电陶瓷为核心元件，制备了4.5MHz的超声换能器样件。该超声换能器在380℃和450℃高温模拟环境中长时间（24h/14h）稳定工作后，灵敏度依然维持在470mV。此外，在室温到450℃温区内保证高-6dB带宽（>95%），高于传统PZT陶瓷换能器（~60%），有望应用于深部石油勘探、压电喷油阀等领域中。相关成果发表在Sensors and Actuators, 2022, 340,113528。
　　上海硅酸盐所董亚珠博士研究生为论文第一作者，周志勇研究员为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、中科院科研仪器研制项目的支持。


　　相关链接：
　　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.


         文章来源：上海硅酸盐所
        周志勇，上海硅酸盐所研究员。主要研究方向：高温压电材料（陶瓷和薄膜）结构设计、性能调控和服役稳定性及高温工程应用。作为项目负责人承担了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、军委科技委、装备发展部预研、中科院STS区域重点项目和仪器装备研制项目等多项科研任务。在J. Mater. Chem. C, Appl. Phys. Lett., J. Am. Ceram. Soc.等期刊发表SCI论文80余篇，其中第一作者或者通讯作者论文30篇。申请中国发明专利24项，授权13项。获2014年度上海市技术发明一等奖。