铋层状高温压电陶瓷的微观结构调控、性能增强及漏导机制研究

Bismuth layer structural ferroelectric (BLSF) materials have been a hot research topic for high temperature sensitive device applications such as piezoelectric sensors, transducers and actuators. How to further improve the piezoelectric/ferroelectric properties is the key to expand their applications in high temperature and high frequency conditions. This project intends to achieve microstructure control in BLSF piezoelectric ceramics using ions modification combined with a special sintering process. The co-effect of ions modification and sintering process on the microstructure is investigated to build the co-relationship among ions modification, sintering process and microstructure. BLSF piezoelectric ceramics with uniform and fine grains are prepared, and an effective way to improve the high temperature piezoelectric/ferroelectric properties of BLSF piezoelectric ceramics by controlling the microstructure is obtained. The resistivity and AC impedance characteristics of BLSF piezoelectric ceramics at high temperature are tested, and the high temperature leakage conduction behavior and mechanism are discussed by the calculation of the activation energy. The important role of microstructure control to enhance the high temperature resistivity of BLSF piezoelectric ceramics is in depth analyzed. This project can provide important scientific basis and theoretical guidance to expand the application of BLSF piezoelectric ceramics in high temperature and high frequency conditions, and promote the research of key piezoelectric sensitive ceramic materials in information function systems.

铋层状结构铁电体(BLSF)是高温压电传感器、换能器及驱动器等敏感式器件应用领域研究的热点材料之一，如何进一步提高其压电/铁电性能是拓展其在高温、高频领域应用的关键。本项目拟采用离子掺杂改性结合特殊烧结方法来实现对BLSF压电陶瓷的微观结构调控，研究离子掺杂改性和烧结工艺对其微观结构的协同影响规律，以期建立离子掺杂改性、烧结工艺和微观结构之间的关联性，制备出具有均匀细小晶粒结构的BLSF压电陶瓷，并找到通过微观结构调控来提高BLSF压电陶瓷高温压电/铁电性能的有效途径。测试BLSF压电陶瓷在高温下的绝缘电阻和交流阻抗特性，通过活化能的计算来探讨其高温漏导行为及内在机制，深入分析微观结构调控对增强其高温绝缘电阻所发挥的重要作用。本研究可望为拓展BLSF压电陶瓷在高温、高频领域应用提供重要的科学依据和理论指导，促进信息功能系统关键压电敏感陶瓷材料的发展。

铋层状结构铁电体是高温压电传感器、换能器等敏感式器件应用领域研究的热点材料，进一步提高其压电/铁电性能是拓展其在高温、高频领域应用的关键。本项目开展了铋层状高温压电陶瓷的微观结构调控、性能增强及漏导机制研究，主要包括：（1）研究了CaBi2Nb2O9（CBN）陶瓷A/B位离子改性、缺陷结构及性能增强机理，在Ce、W共掺CBN陶瓷中获得了压电常数d33的成倍增长，同时500℃下电阻率从10^6级别提升至10^9级别，提升了3个数量级，为目前报道的最高值，本研究解决了铋层状陶瓷压电常数和高温电阻率难以同时提升的矛盾，并从微观结构调控层面提出了相应的机理解释，找到了在铋层状陶瓷中协同提高压电性能和高温电阻率的有效途径，为铋层状压电陶瓷在高温、高频传感器等敏感式器件应用提供了重要的科学依据和理论指导；（2）研究了A位复合离子掺杂、B位W离子掺杂Bi4Ti3O12陶瓷的缺陷结构与性能增强关系，利用以上理论指导，通过微观结构调控在该体系中同样获得了压电常数和高温电阻率的协同提高，其压电常数d33达到24 pC/N，500℃下高温电阻率也可达10^8级别；（3）选用组成优化的铋层状陶瓷为基础，采用两步烧结法制备获得了具有均匀细小晶粒结构的致密陶瓷体，使得陶瓷综合性能进一步提升，验证了项目组提出的在铋层状陶瓷中通过微观结构调控获得性能提升机理的正确性；（4）拓展了铋层状压电陶瓷的热释电、光致发光性能应用研究，为铋层状陶瓷的学科交叉领域研究打开了一扇窗口。本项目共发表标注论文15篇（第一标注8篇），其中SCI和EI收录论文12篇，很好地完成了原定SCI和EI收录论文4篇以上的研究目标，特别是发表了本领域TOP期刊论文2篇、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊论文1篇，高质量地完成了原计划的成果目标。项目负责人研究期内在本领域国际国内学术会议就铋层状陶瓷研究作特邀报告5次，荣获2018波兰陶瓷学会奖，入选江西省青年井冈学者奖励计划及景德镇市专业技术拔尖人才。本项目培养已毕业研究生2名，目前在读研究生2名。