铝酸铋基高温压电陶瓷的超重力燃烧合成制备新技术及结构形成机制

The piezoelectric ceramics with high-temperature piezoelectricity stability above 400℃ is the new materials system to be developed in the piezoelectric ceramics industry. BiAlO3 ceramic is the most promising candidate to breakthrough the high-temperature piezoelectricity, however, the preparation of BiAlO3 ceramics is a problem need to be solved... The solid reaction of Al2O3 and Bi2O3 is controlled by diffusion mechanism and gas transfer under equilibrium phase transition, thus failed to the formation of BiAlO3. To solve this problem, this project proposes a comprehensive study on the synthesis and formation mechanism of the BiAlO3 based ceramics materials by high-gravity melt casting technique，based on the non-equilibrium phase transition. The heat and mass transfer, flow behavior of the melt will be investigated to reveal the relationship between the high gravity field and the degree of super-cooling and melt solidification, thus, the structure formation mechanism will be established. Finally, BiAlO3 based ceramics with controlled microstructure and the domain structure and good high-temperature piezoelectric properties will be prepared. .. After the execution of the project, will be developed, thus supporting the high-temperature piezoelectric ceramics industry in both theory and practice.

可在400℃以上稳定服役的高温压电陶瓷，一直是压电陶瓷领域力图发展的新材料体系，铝酸铋陶瓷有望成为实现性能突破的切入点，但制备技术难题必需首先攻克。..在平衡相变条件下，氧化铝和氧化铋的固相反应受固相扩散和气相传质双重机制控制，难以达到反应平衡。针对以上问题，课题提出采用超重力燃烧合成技术在非平衡相变条件下制备铝酸铋基陶瓷。通过对铝热反应过程中传热、传质、熔体流动及凝固行为的系统研究，揭示超重力场对陶瓷熔体过冷度及凝固行为的作用机理，建立铝酸铋结构形成机制，最终实现陶瓷微观结构、电畴结构的预测和调控，进而提高陶瓷的高温压电性能。..通过课题研究，发展出一种压电陶瓷的超重力燃烧合成制备新技术，为高温压电陶瓷产业的关键新材料提供技术和理论支撑。

随着航天航空、石油化工等工业的高速发展，电子设备需要在越来越高的温度下使用，相应的压电材料和器件必须在使用温度下能够稳定服役。目前以锆钛酸铅（PZT）为主的商用压电陶瓷的居里温度一般在250-380℃。铝酸铋的居里温度高于520℃，是一种性能优良的高温压电陶瓷材料，有望成为实现性能突破的切入点，但铝酸铋陶瓷的获得目前只局限于极端高压手段。在平衡相变条件下，氧化铝和氧化铋的固相反应受固相扩散和气相传质双重机制控制，难以达到反应平衡。.针对以上问题，本项目采用超重力燃烧合成技术在非平衡相变条件下制备铝酸铋系列陶瓷。首先设计并成功制备了一系列组分的(1-x)Ba0.9Ca0.1TiO3-xBaSn0.1Ti0.9O3（x=0-0.10）陶瓷体系，通过微观结构和准同型相界调控使其压电应变系数达到500pC/N以上，实现了超重力燃烧合成法制备压电陶瓷的技术突破。在此基础上，设计BiMO3(M=Al,Fe)–(Ba,Ca)TiO3二元系压电陶瓷体系，利用超重力辅助熔铸技术制备了微观结构均匀的BiMO3-(Ba,Ca)TiO3陶瓷。BiAlO3陶瓷体系的致密度最高可达到94%，居里温度为124℃，BiFeO3陶瓷体系的居里温度可以达到358℃。当BiAlO3含量为7%时，陶瓷的压电常数为335pC/N，远远高于极高压状态下制备的BiAlO3陶瓷的压电常数（小于100pC/N）。.通过对非平衡状态下反应过程的系统研究，本项目揭示了超重力场对陶瓷熔体过冷度及凝固行为的作用机理，建立超重力场压电结构形成机制，成功发展了一种压电陶瓷的超重力燃烧合成制备新技术，为高温压电陶瓷产业的关键新材料提供技术和理论支撑。