中国粉体网讯 压电陶瓷是一种能够实现电能-机械能相互转换的电子功能材料,将机械能转换成电能的称为正压电效应,将电能转换成机械能的称为逆压电效应。由压电陶瓷材料构建的各种压电元器件(如压电引信、压力传感器、超声传感器、红外探测器等)广泛应用于兵器工业、航空航天、安防报警、医用设备、家用电器、石油勘探等遍及军用和民用的诸多领域。
随着现代科技的不断进步与发展,一些重要领域都迫切需要能够在高温下稳定工作的电子设备,如石油化工、电力能源、冶金矿产、航空航天等,而用于这些电子设备的压电材料在高温环境下使用时必须具备以下两个条件,一是该材料应具有较高的居里温度,使其压电性不会受高温影响;二是在较宽的温度范围内,材料的压电参数能够保持稳定,从而保证电子设备在运行过程中能够正常工作。目前,科学家都普遍致力于高居里温度、高性能的压电陶瓷材料研究。
2001年,美国研制出了一种新型的钙钛矿体系BiScO3-PbTiO3(BS-PT),该体系是将PT和BiScO3进行复合并采用固相法制备而得,从下表可看出,BS-PT体系压电陶瓷具有很高的居里温度,且其性能足以媲美PZT陶瓷。但是BS-PT压电陶瓷的温度稳定性差及退极化温度(Td)低,极大限制了其在实际高温领域中的应用。
BS-PT体系和其他体系压电陶瓷性能比较
近日,中国科学院上海硅酸盐研究所压电陶瓷材料与器件研究团队通过微结构调控和组成设计优化等策略,对BS-PT压电陶瓷开展了系列研究,并取得了系列进展。基于晶格畸变和对称演化理论,设计了BiScO3-PbTiO3-Bi(Sn1/3Nb2/3)O3(BS-PT-BSN)高温压电陶瓷,实现对压电性能和温度稳定性的双重调控。进一步通过TEM/PFM/XRD等跨尺度结构表征,揭示了其性能提升的关键因素是丰富畴形态的形成和畴密度的提高,验证了四方相结构是提高温度稳定性的重要依据。
高温换能器在高温下的不同保温时间脉冲回波图 (A) 380℃,(B) 450℃
研究组还通过轨道杂化提高A-O及B-O键的结合力,设计制备了兼具高压电性能(从380pC/N提高至490pC/N)、高居里温度(428℃)、高退极化温度(从250℃提高至410℃)的新型BS-PT铅基压电陶瓷材料。然后以上述高温度稳定性、高压电性能的压电陶瓷为核心元件,制备了4.5MHz的超声换能器样件。该超声换能器在380℃和450℃高温模拟环境中长时间(24h/14h)稳定工作后,灵敏度依然维持在470mV。此外,在室温到450℃温区内保证高-6dB带宽(>95%),高于传统PZT陶瓷换能器(~60%),有望应用于深部石油勘探、压电喷油阀等领域中。
参考来源:
[1]上海硅酸盐研究所
[2]王丹钰等.高温压电陶瓷材料的研究进展及应用