上海硅酸盐所高温压电陶瓷材料研究取得进展

铋层状结构高温压电陶瓷是重要的功能材料，其典型代表钛酸铋（Bi4Ti3O12，简 称BIT）是国际上482℃高温压电振动传感器用压电材料的首选，在高温、高辐照、复杂振动等严苛环境下对关键装备的振动监测和健康管理。BIT压电陶瓷的居里温度（TC=675℃）高，但其晶体结构决定自发极化方向受到二维限制，因此导致压电系数偏低，高温电阻率较低导致漏电流偏大，制约了BIT压电陶瓷在高温领域中的实际应用。

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离子对效应和A/B位协同掺杂改性来提高BIT基陶瓷的压电性能，并探究了结构与压电性之间的构效关系。研究根据BIT的铁电性起源，采用A/B位协同掺杂的策略，设计了 Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12压电陶瓷体系。Ce/W/Nb协同掺杂显著增强了与d33相关的PFM面外响应信号，同时畴壁变为光滑平面，减弱钉扎效应，压电性能也大幅提高；极化处理后，Bi4-xCexTi2.98(WNb)0.01O12陶瓷的铁电畴沿外电场方向排列更加充分，且重新定向的铁电畴具有不可逆性。

研究采用协同掺杂的策略，获得了一系列具有优异压电性能的BIT基陶瓷，最优组分Bi3.97Ce0.03Ti2.98(WNb)0.01O12

陶瓷的压电系数d33高达40.2 pC/N，这是目前报道的BIT基陶瓷压电系数d33最大值。

BIT高温压电陶瓷材料正在进行高温压电振动传感器的应用验证，有望实现500℃及以上的高温压电陶瓷元件国产化。