Nel campo aerospaziale, un sensore di vibrazione piezoelettrico ad alta temperatura è uno dei pochi dispositivi chiave che può essere monitorato in un ambiente rigido e ad alta temperatura, quindi è particolarmente urgente sviluppare ceramiche piezoelettriche ad alte prestazioni come nucleo componente di questo tipo di sensore. Bi4 Ti3 O12 (BIT), come un tipo vitale di ferroelettrici a struttura a strati di bismuto (BLSF), ha grandi prospettive di applicazione in ambienti ad alta temperatura grazie al suo eccellente TC di 675 ℃.
Tuttavia, la volatilizzazione del Bi durante il processo di sinterizzazione nelle ceramiche basate su BIT porta alla generazione di difetti di posti vacanti di ossigeno, con conseguente attività piezoelettrica relativamente bassa. La strategia di co-drogaggio non equivalente del sito B proposta si è rivelata un modo utile per ridurre efficacemente la concentrazione dei posti vacanti di ossigeno e per migliorare le proprietà elettriche complete delle ceramiche basate su BIT.
Un gruppo di ricerca guidato dal professor Yejing Dai dell'Università Sun Yat-sen di Shenzhen, in Cina, ha recentemente segnalato una nuova strategia co-drogata non equivalente per ceramiche piezoelettriche ad alta temperatura basate su BIT per risolvere i problemi sopra menzionati.
Con la modifica del sito B per le ceramiche basate su BIT, di solito è difficile ottenere sia un elevato coefficiente piezoelettrico che un'elevata temperatura di Curie, nonché un'elevata resistività alle alte temperature. Sembra esserci una restrizione reciproca tra d33 e TC a causa della difficoltà di ottenere contemporaneamente eccellenti proprietà elettriche e buona stabilità strutturale. Questa ricerca ha lo scopo di ottimizzare sinergicamente i due parametri utilizzando la strategia co-drogata non equivalente del sito B che combina Ta 5+ ad alta valenza e Cr 3+ a bassa valenza .
I ricercatori hanno pubblicato la loro ricerca sul Journal of Advanced Ceramics il 21 febbraio 2024.
"In questa ricerca, abbiamo scelto Ta 5+ ad alta valenza e Cr 3+ a bassa valenza ceramiche BIT co-drogate non equivalenti per risolvere il problema che non è possibile ottenere contemporaneamente elevate prestazioni piezoelettriche, elevata temperatura di Curie e resistività ad alta temperatura nelle ceramiche basate su BIT. Una serie di Bi4 Ti3−x (Cr1/3 Ta2/3 )x O12 le ceramiche sono state sintetizzate mediante il metodo della reazione allo stato solido.
"La struttura di fase, la microstruttura, le prestazioni piezoelettriche e il meccanismo conduttivo dei campioni sono stati studiati sistematicamente. La strategia di co-doping non equivalente del sito B che combina Ta 5+ ad alta valenza e Cr 3+ a bassa valenza migliora significativamente le proprietà elettriche a causa di una diminuzione della concentrazione di posti vacanti di ossigeno. Quando il contenuto di drogaggio è 0,03 mol, la ceramica presenta un elevato coefficiente piezoelettrico di 26 pC·N −1 e un'elevata temperatura Curie di 687 ℃.
"Inoltre, una resistività notevolmente aumentata di 2,8×10 6 Per questa composizione si ottengono anche Ω·cm a 500 ℃ e una buona stabilità piezoelettrica fino a 600 ℃. Tutti i risultati dimostrano che le ceramiche a base BIT co-drogate Cr/Ta hanno un grande potenziale per essere applicate in applicazioni piezoelettriche ad alta temperatura", ha affermato la signora Xuanyu Chen, la prima autrice dell'articolo e dottoranda presso la Scuola dei Materiali presso l'Università Sun Yat-sen.
La strategia di co-doping non equivalente è un metodo efficace per migliorare le prestazioni elettriche delle ceramiche basate su BIT. Attraverso l’introduzione di coppie ioniche non equivalenti, la concentrazione dei difetti di posti vacanti di ossigeno nella ceramica BIT è stata effettivamente ridotta e l’anisotropia della crescita del grano è diminuita. Ciò fornisce una nuova idea per migliorare ulteriormente le proprietà piezoelettriche delle ceramiche basate su BIT e promuovere la loro applicazione nel campo del rilevamento delle alte temperature.
Il prossimo passo del gruppo di ricerca sarà quello di indurre ioni del sito A come La 3+ su base co-dopato B-site non equivalente. "Ci aspettiamo che il co-drogaggio del sito A/B aumenti ulteriormente l'attività piezoelettrica della ceramica basata su BIT, e quindi riveleremo l'effetto del co-drogaggio del sito A/B sulla struttura del dominio del campione rispetto al sito B "co-doping non equivalente in loco", ha affermato la signora Chen.
Lo scopo del gruppo di ricerca è quello di fabbricare dispositivi ceramici piezoelettrici a strati di bismuto con eccellenti proprietà elettriche adatte a lavorare ad alte temperature.
Altri contributori includono la signora Ziqi Ma, il professor Bin Li e il professor YeJing Dai della Scuola dei materiali dell'Università Sun Yat-sen di Shenzhen, in Cina.
Ulteriori informazioni: Xuanyu Chen et al, Prestazioni piezoelettriche migliorate di piezoceramiche ad alta temperatura a base di Bi 4Ti 3O 12 co-drogate non equivalenti a Cr/Ta, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220850
Fornito dalla Tsinghua University Press
