高温、高性能压电陶瓷制备及其高温失效机理研究

With the development of information, energy,nuclear energy and aerospace technology, piezoelectric materials which can be used at high temperatures exceeding 500℃ are urgently needed. However the piezoelectric coefficient of bismuth layer-structured piezoelectric material is relatively low. Furthermore, the resistivity of bismuth layer-structured piezoelectric decreases with the increase of temperature and the piezoelectric properties are deteriorated at high temperauture. Based on the privous study about high Tc Bi-layer ceramics and higher piezoelectric properties perovskite piezoelectric ceramics, we intend to construct the novel high temperature piezoelectric ceramic which is coexistence of perovskite structure and bismuth layer structure. By adjusting the mole amount of the perovskite structure in the system, high performance lead-free piezoelectric ceramics with high Curie temperature will be developed. Then the microstructure, piezoelectric, ferroelectric, dielectric properties of piezoelectric ceramics will be studied. The relationship between ceramic high-temperature conductive carrier type, migration rate changes with the high temperature resistivity and the piezoelectric properties of ceramics will also be investigated to explore high temperature failure mechanism of ceramic. Finally, piezoelectric ceramic which can be used higher than 500℃ will be obtained. Our research can apply the theoretical foundation and technical support for high temperature applications of piezoelectric ceramics.

随着信息、能源、核能、航空航天等技术的发展，对使用温度在500℃以上的高温压电材料需求越来越多。但目前广泛使用的高温铋层状压电材料不仅压电活性低，而且其电阻率随温度升高而降低,导致压电性能恶化，不能满足500℃以上高温作业的需求。因此，本申请拟以我们近期获得的高居里温度铋层状结构压电陶瓷和具有高压电性的钙钛矿结构压电陶瓷为切入点，构建钙钛矿结构与铋层状结构两相共存的高温压电陶瓷体系；通过调整钙钛矿结构压电材料在所构建陶瓷体系中的摩尔百分含量，设计和研发具有高居里温度的高性能压电陶瓷；通过表征所构建压电陶瓷的微结构和压电、铁电、介电性能等随钙钛矿结构摩尔百分含量的变化，分析所构建陶瓷高温导电载流子类型、迁移率变化等与其高温电阻率、居里温度和压电性能之间的关系，探索压电陶瓷的高温失效物理机制；进而研制出使用温度达到500℃以上的高温压电陶瓷，为压电陶瓷的高温应用奠定理论基础与技术支撑。

铋层状结构无铅压电陶瓷(BLSFs)因其具有较好的温度稳定性能，兼有居里温度高、介电损耗低等特点，成为高温压电材料研究领域中热点材料之一。随着信息、能源、核能、航空航天等技术的发展，对使用温度在500℃以上的高温压电材料需求越来越多。针对广泛使用的高温铋层状压电材料不仅压电活性低，而且其电阻率随温度升高而降低，导致压电性能恶化，不能满足500℃以上高温作业的需求展开研究。本项目利用传统固相合成法制备了复合离子、多铁性材料和新型固溶体掺杂改性BLSFs基陶瓷，研究了掺杂离子对居里温度、温度稳定性和电学性能的影响。阐明了影响铋层状结构无铅压电陶瓷高温稳定性的主要原因就是由于铋元素的挥发产生过多氧空位引起的。揭示了掺杂离子对铋层状结构无铅压电陶瓷居里温度、温度稳定性和电学性能的影响规律。其主要成果如下：.1）获得了居里温度Tc为604℃，压电常数d33为31 pC/N，退火温度为500℃时压电常数仍能保持在78%以上的Sr1-xCaxNa0.5Bi4.5Ti5O18 (x = 0.0，0. 25，0.5，0.75，1.0)无铅压电陶瓷材料；.2）说明了(K, Ce)离子取代对Sr1-x(K,Ce)x/2(Na0.5Bi0.5)Bi4Ti5O18系列陶瓷居里温度与高温稳定性的影响规律；.3）价态较高的Mo6+掺杂取代SrBi2Nb2O9铋层状结构无铅压电陶瓷中的B位Nb5+离子，属施主掺杂，减少氧空位的产生，使SrBi2Nb2O9陶瓷样品的压电和铁电性能得到明显提高；.4）Ho3+、Eu3+离子分别掺杂SrBi2Nb2O9铋层状无铅压电陶瓷后，使其具有了光电多功能性；.5）Er3+离子掺杂获得的Na0.5Bi4.5-xErxTi4O15基陶瓷，居里温度都在650℃以上。当退火温度达到600℃时，所有陶瓷样品压电常数几乎没有发生变化展现出优良的温度稳定性。.在本项目的资助下，Journal of the American Ceramic Society、 Journal of the European Ceramic Society、Scripta Materialia等国内外知名期刊上发表SCI收录论文80余篇，授权发明专利2项，培养了7名硕士研究生。