成都大學(xué)科研人員在Aurivillius相超高溫壓電陶瓷的研究方面取得新進(jìn)展

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，高溫環(huán)境下的位移驅(qū)動、超聲波檢測、振動測量和能量采集的應(yīng)用越來越廣泛。例如汽車內(nèi)燃機燃油電噴系統(tǒng)使用的多層壓電驅(qū)動器、深地石油開采測井用的壓電超聲換能器，核反應(yīng)堆一回路管道中使用的壓電超聲波定位探測器等，都必須選用至少可耐受260 ℃高溫的壓電材料，這樣才能保證壓電器件可在較寬溫度范圍內(nèi)正常工作。尤其是在航空航天領(lǐng)域，大型航空發(fā)動機和航天推進(jìn)器關(guān)鍵部位的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的核心部件即是能耐受482 ℃甚至是649 ℃高溫的壓電加速度傳感器。

壓電材料是壓電器件的核心。其中Aurivilius相化合物是高溫壓電材料的。這一類化合物的晶體由類螢石結(jié)構(gòu)的鉍氧層（[Bi₂O₂]²⁺）和類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的（[A_m-1B_mO_3m+1]^2-）層沿c軸方向有規(guī)律地相互交替排列而成，類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中A位的Bi原子相對于氧八面體鏈沿a軸的偏離使得晶胞形成自發(fā)極化。因此，它們也被稱作鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電體（BLSFs）。高靈敏度、高工作溫度、高穩(wěn)定性壓電器件需要壓電材料具有高壓電系數(shù)（d₃₃）、高居里溫度（T_C）、高電阻率（ρ）以及良好的熱穩(wěn)定性（抗熱退極化、介電常數(shù)的溫度系數(shù)等）。對BLSFs的摻雜改性往往又很難兼顧其T_C的穩(wěn)定和d₃₃的提升，特別是通常的施主摻雜提升材料的電阻率后，又很難保持其良好的熱穩(wěn)定性。

鈮酸鈦鉍（Bi₃TiNbO₉，簡稱BTN）由一層鉍氧層（[Bi₂O₂]²⁺）和兩層類鈣鈦礦層（[BiTiNbO₇]^2-）沿c軸交錯間隔構(gòu)成，因為其具有很高的居里溫度（T_C=914 ℃），有望應(yīng)用于工作溫度高于482 ℃的超高溫壓電器件之中。但純BTN陶瓷表現(xiàn)出極低的壓電性能（d₃₃~3 pC/N）和很低的高溫電阻率（600 ℃下，往往只有10³ Ω·cm數(shù)量級），熱穩(wěn)定性也很不理想。這些缺點大大地限制了其在高溫環(huán)境下的實際應(yīng)用。