铋层状结构高温压电陶瓷的热退极化性能研究

Bismuth layer structured piezoeceramics(BLSP)，acting as the key part of high-temperature piezoelectric sensors,are widely used in the fields of aviation,aerospace,ship,neclear energy,metallurgy and chemical industry due to their high Curie points.Their thermal depoling property of piezoelectric response of high-temperature piezoelectric materials is of the key importance affecting their piezoelectric applications at high temperature. Up to now, however, there is less reasearch work on the issue of thermal depoling behavior of BLSP, and still a lack of systematic investigation of the mechanism of thermal depoling of BLSP. Therefore, from the viewpoint of structural characteristics of BLSP, the effects of ionic vacancies in (Bi2O2)2+ layers,oxygen vacancies, annealing with different atmosphere and internal stress on the properties of high-temperature conductivity and thermal depoling will be deeply investigated. We will focus on the mechanism of thermal depoling and improvement of the thermal stability of piezoelectric response of BLSP, which is very helpful not only to further understand the structural characteristics of bismuth layer structured materials but also to guide the development of BLSP and related devices which could be used stably above 550oC.

铋层状结构压电陶瓷由于具有高居里温度等特点，可用作高温压电传感器的核心元件，在航空、航天、舰船、核能、冶金和化工等领域有广泛的应用，其压电响应的热退极化性能是影响高温压电应用的关键因素。但目前国内外对铋层状结构压电陶瓷压电响应的热退极化性能及机理尚缺乏深入细致的研究。本项目选择Bi2WO6和CaBi2Nb2O9为研究对象，从层状结构特点出发，深入地研究微观结构中(Bi2O2)2+层中的离子缺位、氧空位、不同气氛处理、内应力等材料高温导电性能和热退极化性能的影响，重点揭示其热退极化机理，提高压电响应的热稳定性。这不仅有助于更加深刻地了解铋层状结构材料的结构特点，而且对于指导开发出能在550oC以上高温稳定可靠使用的铋层状结构压电陶瓷及相关器件有重要的实用价值。

在航空、航天、核能、发电、冶金和船舶等领域，对航空发动机、发电机组、冶金轧钢机和钢板碾压机、舰船高速柴油机等重要设备和关键部件的运行状态进行即时监控和动态检测时，由于环境温度高，条件苛刻，必须使用高温压电振动传感器。高温压电材料是高温压电传感器的核心元件。我国从上世纪70年代末就积极开展对高温压电传感器的研究与开发，但始终没有取得令人满意的进展，其中一个主要原因是对高温压电陶瓷材料的研究未取得实质性突破。本项目针对铋层状高温压电陶瓷材料存在的温度稳定性较差这一关键瓶颈，从材料的微观结构、内部缺陷、载流子、铁电畴等角度深入分析研究了铋层状高温压电陶瓷的导电性能、热退极化性能，通过微结构调控、绝缘氧化物颗粒填充、离子掺杂、构筑共生结构等方法，制备出了能满足高温压电振动传感器实际使用要求高温压电陶瓷材料，主要研究成果如下。. 通过对Bi2WO6(BWO)粉体制备、成型和烧结工艺的大量探索实验，成功了采用普通固相烧结法制备出具有化学计量比的高致密BWO陶瓷，其压电系数d33为8pC/N，是目前文献报道的最高值。对其热退极化机理研究表明，在低温时缺陷偶极子与畴壁相互作用并且阻碍畴壁的运动，随着温度升高，缺陷偶极子发生解耦，能自由运动，使畴结构重新排列到更低能量组态，从而导致d33降低。. 通过W6+离子掺杂取代、优化烧结工艺等手段，调控材料内部载流子类型和浓度、引入结构畸变，成功地将Na0.5Bi2.5Nb2O9(NBN)压电陶瓷的电阻率提高了约2个数量级，d33提高了一倍以上，温度稳定性也大幅提高。通过采用Al2O3颗粒填充NBN片状晶粒堆积空隙的独特方法，调控材料微观结构，成功地将NBN的电阻率提高了约2个数量级，d33提高了30%。. 这些研究成果不仅有助于更加深刻地了解铋层状结构材料的结构特点，而且对于指导开发出能在550℃以上高温稳定可靠使用的高温压电振动传感器有重要的实用价值。