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北京大学工学院董蜀湘团队发现可媲美压电单晶的高温压电陶瓷材料

2019-02-08

压电材料是一类能够直接实现机械能和电能有效转换的功能电子材料,广泛应用于机械制造、电子通讯、军事等领域,在力、热、光、电、磁等功能转换器件中具有无法替代的作用。压电材料按照材料形态可分为压电单晶、压电陶瓷、压电高分子以及压电复合材料等几大类,其中压电单晶材料特别是弛豫型钛酸铅基压电单晶因其单畴特性,压电常数d33高达2000~3000pC/N,压电性能最为优异,而压电陶瓷材料具有丰富的组分可调性,同时制备工艺简单,成本低,一直占据着压电材料的大部分市场份额。那么,有没有可能存在一种压电陶瓷材料,在压电性能上媲美压电单晶呢?近日,北京大学工学院董蜀湘教授团队及其合作者,通过材料组分调控,制备了一种三元钙钛矿结构高温压电陶瓷材料,200℃时的压电性能可媲美传统的弛豫压电单晶材料。相关论文以“Giant Piezoelectricity of Ternary Perovskite Ceramics at High Temperature”为题发表在国际学术期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, IF=13)上(Adv. Funct. Mater. 2019, 1807920),文章第一作者是赵天龙博士(北京大学和山东大学联合培养博士生,现为西安电子科技大学讲师),北京大学董蜀湘教授是该文通讯作者,加拿大西蒙弗雷泽大学叶作光教授为共同通讯作者;合作者还包括山东大学王春明教授课题组、新加坡国立大学曾开阳教授课题组。

近年来,随着汽车制造、能源勘探和航空航天等领域的迅猛发展,压电材料的应用环境受到了严峻的考验,如汽车内燃机的电喷装置,要求压电材料在200℃甚至300℃以上的高温环境下稳定工作,石油勘探过程中,深井探测油压等参数的压力传感器也对压电材料提出了新的挑战,航空航天领域的发动机振动情况检测更是要求压电材料在更高的温度下工作,高温压电材料及其器件应用的研究得到了前所未有的关注和重视。目前性能最为优异的压电材料是弛豫压电单晶材料,由于其成分和结构的原因,居里温度只有120℃~180℃左右,而块体压电材料因其热老化作用,正常使用的温度范围被限制在居里温度的一半以下,弛豫压电单晶材料无法在200 ℃以上的温度环境下稳定工作,而传统的压电陶瓷材料性能不足以媲美压电单晶材料,成为该领域的一个瓶颈问题。

董蜀湘教授团队长期致力于高温压电陶瓷材料及其器件应用的研究领域,本次的研究成果实现了传统的压电陶瓷材料性能的突破,高温压电性能媲美压电单晶材料。他们在钪酸铋-钛酸铅BiScO3-PbTiO3(BS-PT)高温压电陶瓷基础上,通过组分调控,引入铌锡酸铅Pb(Sn1/3Nb2/3)O3(PSN)第三组元,形成钙钛矿结构的三元系高温压电陶瓷固溶体,在准同型相界组分附近获得了最优压电性能,室温压电常数d33为555 pC/N,机电耦合系数达到58.9%。随着温度的升高,在200oC时其逆压电常数d*33达到2500 pm/V,与传统的弛豫压电单晶相当,同时其居里温度高达408℃,完全满足200℃以上的高温压电应用需求,是高温压电应用的理想材料。


铌锡酸铅-钪酸铋-钛酸铅(PSN-BS-PT)压电陶瓷相结构与高温电性能

此外,团队针对该材料体系,利用GLD唯象理论,根据材料的相结构变化,结合压电材料自发极化的翻转与伸缩变化对压电性能的贡献,建立了相关理论模型,合理解释了该材料体系高温下的高压电活性起源。


铌锡酸铅-钪酸铋-钛酸铅(PSN-BS-PT)压电陶瓷自发极化理论模型与高温电畴结构

这项工作为高温压电应用领域提供了一种性能上可媲美弛豫压电单晶的压电陶瓷材料,在制备工艺及材料成本方面具有显著的优势,为扩展高温压电材料的应用提供了一种简单且低成本的方法,在汽车制造、深井探测、航空航天等领域具有广阔的应用前景。同时该工作建立的理论模型对理解BS-PT基高温压电陶瓷的高压电活性起源提供了一定的理论指导。

该工作获得国家自然科学基金、北京市科技计划和加拿大科学基金委的支持。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201807920