BiScO₃-PbTiO₃(BS-PT)高溫壓電陶瓷是一類重要的功能陶瓷材料，因高居里溫度（T_C: ~450℃）和高壓電系數(shù)（d₃₃: ~450pC/N），被認(rèn)為是300℃以上壓電傳感器、換能器等高溫壓電器件最具應(yīng)用潛力的核心敏感鉛基壓電陶瓷元件之一。然而，BS-PT壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性差及退極化溫度（T_d）低，限制了在實(shí)際高溫領(lǐng)域中的應(yīng)用。 

　　近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所壓電陶瓷材料與器件研究團(tuán)隊運(yùn)用微結(jié)構(gòu)調(diào)控和組成設(shè)計優(yōu)化等策略，對BS-PT壓電陶瓷開展研究，并取得系列進(jìn)展。基于晶格畸變和對稱演化理論，研究設(shè)計了BiScO₃-PbTiO₃-Bi(Sn_1/3Nb_2/3)O₃(BS-PT-BSN)高溫壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)對壓電性能（d₃₃從380 pC/N提高至450 pC/N）和溫度穩(wěn)定性（T_d從250℃提高至330℃）的雙重調(diào)控。進(jìn)一步，研究通過TEM/PFM/XRD等跨尺度結(jié)構(gòu)表征，揭示了其性能提升的關(guān)鍵因素是豐富疇形態(tài)的形成和疇密度的提高，驗證了四方相結(jié)構(gòu)是提高溫度穩(wěn)定性的重要依據(jù)，相關(guān)成果發(fā)表在Journal of Materiomics（2022, 8:319-326）和Journal of the American Ceramic Society（2022, 105:1558-1567）上，并獲授權(quán)發(fā)明專利一項。 

　　通過軌道雜化提高A-O及B-O鍵的結(jié)合力，科研人員設(shè)計了BiScO₃-PbTiO₃-Zn/Bi高溫壓電陶瓷，制備了兼具高壓電性能（從380pC/N提高至490pC/N）、高居里溫度（428℃）、高退極化溫度（從250℃提高至410℃）的新型BS-PT鉛基壓電陶瓷材料。研究采用原位XRD/Raman/PFM等手段，從本征和非本征等角度闡明了優(yōu)異溫度穩(wěn)定性的內(nèi)在物理機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表在Journal of the American Ceramic Society（2022,105:6898-6909）上，獲授權(quán)發(fā)明專利一項。 

　　研究以上述高溫度穩(wěn)定性、高壓電性能的壓電陶瓷為核心元件，制備了4.5MHz的超聲換能器樣件。該超聲換能器在380℃和450℃高溫模擬環(huán)境中長時間（24h/14h）穩(wěn)定工作后，靈敏度依然維持在470mV；此外，在室溫到450℃溫區(qū)內(nèi)保證高-6dB帶寬（>95%），高于傳統(tǒng)PZT陶瓷換能器（~60%），有望應(yīng)用于深部石油勘探、壓電噴油閥等領(lǐng)域。相關(guān)成果發(fā)表在Sensors and Actuators（2022, 340,113528）上。 

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院科研儀器設(shè)備研制項目的支持。 

　　論文鏈接：1、2、3、4 

　　不同組成設(shè)計的疇形貌：（A）BS-PT，（B）BS-PT-BSN 

　　不同相結(jié)構(gòu)的鐵電性溫度穩(wěn)定性：（A）三方相 x = 0.59，（B）MPB x = 0.63，（C）四方相 x = 0.65 

　　BS-BPZnT陶瓷的（A）原位d₃₃和（B）原位d₃₃的變化率隨溫度的變化 

　　BS-PT基高溫?fù)Q能器：（A）實(shí)物圖，（B）示意圖，（C）細(xì)節(jié)放大圖 

　　高溫?fù)Q能器在高溫下的不同保溫時間脈沖回波圖：（A）380℃，（B）450℃