Inom flyg- och rymdområdet är en piezoelektrisk vibrationssensor med hög temperatur en av få nyckelenheter som kan övervakas i en hög temperatur och tuff miljö, så det är särskilt angeläget att utveckla högpresterande piezoelektrisk keramik för hög temperatur som kärnan komponent av denna typ av sensor. Bi4 Ti3 O12 (BIT), som en viktig typ av vismutskiktad strukturferroelektrik (BLSF), har stora tillämpningsmöjligheter i högtemperaturmiljöer på grund av dess utmärkta TC på 675 ℃.
Emellertid leder förångningen av Bi under sintringsprocessen i BIT-baserad keramik till generering av syrevakansdefekter, vilket resulterar i relativt låg piezoelektrisk aktivitet. Den föreslagna B-site icke-ekvivalent samdopad strategi har visat sig vara ett användbart sätt att effektivt minska koncentrationen av lediga syreutrymmen och förbättra de omfattande elektriska egenskaperna hos BIT-baserad keramik.
En forskargrupp ledd av professor Yejing Dai från Sun Yat-sen University i Shenzhen, Kina, rapporterade nyligen om en ny icke-ekvivalent samdopad strategi för BIT-baserad piezoelektrisk högtemperaturkeramik för att lösa ovan nämnda problem.
Genom B-platsmodifieringen för den BIT-baserade keramen är det vanligtvis svårt att få både en hög piezoelektrisk koefficient och en hög Curie-temperatur, såväl som hög resistivitet vid höga temperaturer. Det verkar finnas en ömsesidig begränsning mellan d33 och TC på grund av svårigheten att samtidigt uppnå utmärkta elektriska egenskaper och god strukturell stabilitet. Denna forskning syftar till att synergistiskt optimera de två parametrarna genom att använda B-sites icke-ekvivalenta samdopade strategi för att kombinera högvalens Ta 5+ och lågvalens Cr 3+ .
Forskarna publicerade sin forskning i Journal of Advanced Ceramics den 21 februari 2024.
"I den här forskningen valde vi högvalens Ta 5+ och lågvalens Cr 3+ icke-ekvivalent samdopad BIT-keramik för att lösa problemet att hög piezoelektrisk prestanda, hög Curie-temperatur och hög temperaturresistivitet inte kunde uppnås samtidigt i BIT-baserad keramik. En serie av Bi4 Ti3−x (Cr1/3 Ta2/3 )x O12 keramer syntetiserades med solid state-reaktionsmetoden.
"Fasstrukturen, mikrostrukturen, den piezoelektriska prestandan och den ledande mekanismen för proverna undersöktes systematiskt. B-platsens icke-ekvivalenta samdopningsstrategi som kombinerar högvalens Ta 5+ och lågvalens Cr 3+ förbättrar avsevärt de elektriska egenskaperna på grund av en minskning av syrevakanskoncentrationen. När dopningshalten är 0,03 mol uppvisar keramik en hög piezoelektrisk koefficient på 26 pC·N −1 och en hög Curie-temperatur på 687 ℃.
"Dessutom, en signifikant ökad resistivitet på 2,8×10 6 Ω·cm vid 500 ℃ och god piezoelektrisk stabilitet upp till 600 ℃ erhålls också för denna komposition. Alla resultat visar att Cr/Ta samdopad BIT-baserad keramik har stor potential att användas i piezoelektriska applikationer med hög temperatur", säger Xuanyu Chen, den första författaren till artikeln och doktorand vid School of Materials vid Sun Yat-sen University.
Den icke-ekvivalenta samdopningsstrategin är en effektiv metod för att förbättra den elektriska prestandan hos BIT-baserad keramik. Genom introduktionen av icke-ekvivalenta jonpar reducerades koncentrationen av syrevakansdefekter i BIT-keramerna effektivt, och anisotropin av korntillväxten minskade. Detta ger en ny idé för att ytterligare förbättra de piezoelektriska egenskaperna hos BIT-baserad keramik och främja deras tillämpning inom området för högtemperaturavkänning.
Nästa steg i forskargruppen är att inducera A-site joner som La 3+ på en icke-ekvivalent samdopad B-plats. "Vi förväntar oss att samdopning av A/B-ställen ytterligare kommer att öka den piezoelektriska aktiviteten hos den BIT-baserade keramen, och sedan kommer vi att avslöja effekten av samdopning av A/B-ställen på domänstrukturen i provet jämfört med B. -site icke-ekvivalent co-doping," sade Chen.
Syftet med forskargruppen är att tillverka vismutskiktade piezoelektriska keramiska enheter med utmärkta elektriska egenskaper lämpliga för arbete vid höga temperaturer.
Andra bidragsgivare är Ziqi Ma, professor Bin Li och professor YeJing Dai från School of Materials vid Sun Yat-sen University i Shenzhen, Kina.
Mer information: Xuanyu Chen et al, Enhanced piezoelectric performance of Cr/Ta non-ekvivalent co-doped Bi 4Ti 3O 12-based high-temperatur piezoceramics, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220850
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
