济南大学郇宇：SiC协同优化BCTZ陶瓷的烧结与压电性能
日期：
2025-03-05
浏览次数:
21
SiC掺杂的（Ba0.85Ca0.15）（Zr0.1Ti0.9）O3（简称BCTZ）陶瓷展现出优异的压电响应，其d33=638 pC/N、d33*=1048 pm/V、kp=58.21%和TC~95 oC。这主要得益于SiC优异的导热性，促进陶瓷烧结致密。室温下样品位于MPB区域，有丰富的极化方向，有利于畴切换。而且Si4+进入晶格导致晶体结构发生了变化，产生晶格畸变，有效增强了BCTZ陶瓷的压电响应。压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能相互能量转换的功能材料。它们已被广泛制成致动器、换能器和传感器，并用于航空航天、日常生产、信息通信等领域。在过去的几十年里，铅基压电陶瓷因其优异的压电性能而得到了广泛的应用。然而，铅元素对环境和人类健康有毒。随着环保意识的增强，BCTZ等压电性能优异的无铅压电陶瓷也引起了研究者的关注。BCTZ目前存在的两个主要问题。一是压电性能不足以替代商用的铅基陶瓷，目前常用的方法是在BCTZ中添加掺杂元素或者复合钙钛矿第二相，这样可以在室温建立多相共存相界，迅速提高其室温的压电性能，但低的相界温度会严重影响陶瓷的高温稳定性；二是BCTZ的烧结温度很高，一般1500℃烧结成瓷，常用的改善方法是采用高效的烧结工艺（成本高，难推广）和加入烧结助剂（压电性能降低，因为低熔点的液相一般是没有压电性能的）。虽然很多人研究了掺杂对BCTZ性能和工艺的影响，但是目前很少能找到一种掺杂元素在不降低BCTZ的压电性能前提下，降低陶瓷的烧结温度。本文采用的是SiC掺杂相，一方面SiC的导热系数高，能降低陶瓷的烧结温度；另一方面少量的Si可以扩散进入晶格，轻微增强陶瓷的晶格畸变，提高陶瓷的压电性能，并且因为Si扩散进入晶格的量比较低（因为Si离子的扩散系数低），晶体结构的变化有限，因此陶瓷的居里温度没有明显的下降。Ÿ SiC由于导热系数高，可以促进烧结过程中的热量传输，从而降低陶瓷的烧结温度至1380℃（BCTZ陶瓷一般1500℃烧结成瓷），同时提高BCTZ陶瓷的晶粒尺寸和致密度。Ÿ 高温烧结过程中，部分Si离子会扩散进入晶格，通过增强晶体的畸变程度来提高陶瓷的本征压电性能；同时降低陶瓷中缺陷浓度，提高缺陷迁移激活能，进而提高陶瓷的绝缘性能。Ÿ 通过优化SiC的掺杂量，使陶瓷中的缺陷结构、相结构、显微结构达到最优，从而获得了最高的压电性能（d33 = 638 pC/N, d33* = 1048 pm/V, kp = 58.21%, Tc ~ 95 oC）。SiC改性后的BCTZ陶瓷压电性能优于绝大部分其他掺杂元素。利用SEM、TEM测试对样品的微观结构进行了表征，测试结果如图1图2 所示。结果表明样品均具有致密的微观结构，由于掺杂SiC具有优异导热性，促进晶粒生长，提高了陶瓷样品的致密性。当掺杂量增加到0.1 mol%以上时，部分SiC颗粒会聚集在晶界，抑制晶粒生长并减小晶粒尺寸。在样品中可以观察到条状分层和人字形结构域簇。精细的畴结构可以促进外部电场下的极化取向和铁电畴的有序排列，从而增强陶瓷的压电响应。图2d中相应的SAED图案进一步证实了样品的高结晶度。为了研究样品的晶体结构，我们对其做了XRD测试及精修、拉曼测试，如图3图4所示。结果表明样品均为纯净纯钙钛矿结构，掺杂元素完全浸入BCTZ–0SiC陶瓷中。但在BCTZ–0.2SiC陶瓷的30°附近发现了一个与SiO2相关的小衍射峰，这表明SiC在高温烧结过程中由于SiC在空气中的不稳定性而转化为SiO2。样品均为多相共存结构，在BCTZ–0.1SiC陶瓷中四方相比例达到最大值，晶格参数也随SiC含量的增加而降低。结果表明SiC不仅可以增加晶格畸变，还可以增加B位离子的位移距离，这有助于实现优异的压电响应。通过拉曼测试进一步证实了样品的多相共存结构，并且437 cm-1处的拉曼峰有明显的位移，表明陶瓷样品中存在应力。图5为介电温谱的测试结果，在测量的温度范围内，有三个介电常数异常。BCZT–xSiC陶瓷位于MPB区域，具有丰富的极化方向，这有利于畴切换，从而增强压电响应。此外，所有陶瓷样品的tanδ都很低，表明其缺陷浓度低，有利于提高压电性能。缺陷结构分析：随着掺杂量的增加，晶粒和晶界电阻值都先增加后减少，在BCTZ–0.1SiC陶瓷中达到最大值，这表明BCTZ–0.1SiC陶瓷中的氧空位浓度最低，并进一步通过XPS测试得到了证实。此时Eg 和Egb均取得最大值，表面载流子的迁移能力最低，其绝缘性能最高。对样品进行了电学性能测试，最终结果表明当x = 0.1时，样品性能最优，d33=638 pC/N、d33*=1048 pm/V、kp=58.21%。并且BCTZ–0.1SiC在室温至80℃的宽温度范围内显示出Pr 和Suni的小幅变化，为陶瓷在高温下的应用提供了保证。
Hot News
/
相关推荐
2025
-
10
-
29
点击次数:
21
来源：中国稀土网近日，中国稀土学会理事、催化专业委员会委员、南京大学董林教授团队联合大唐南京热电有限责任公司攻坚的“燃气蒸汽联合循环机组全工况超低排放催化技术研究与应用”科技项目取得圆满成功。该项目成功破解了燃机在启停、低负荷等复杂工况下氮氧化物排放控制的行业瓶颈，标志着我国在燃气发电环保领域取得了新进展。面对机组启停及低负荷阶段出现的剧烈温度波动、高空速、高湿度等极端复杂工况，董林教授团队充分发...
2025
-
10
-
29
点击次数:
22
来源：中国稀土网近日，包钢集团矿山研究院科研团队传来捷报，依托包钢集团重点科研项目与深地科技国家重大专项，针对白云鄂博复杂共伴生矿开发难题，科研团队在铌资源精细化利用领域取得“快速检测、精准定位、质量预报”三大技术突破，对增强国家战略资源安全保障能力具有积极意义。快速检测“CT扫描仪”为破解白云鄂博复杂共伴生矿在采矿作业过程中存在的传统理化分析时间长、指导现场生产不及时等问题，科研团队成立多元素快...
2025
-
10
-
28
点击次数:
32
来源 ：中国稀土网 1、埃奎诺克斯资源公司（Equinox Resources）在巴西的坎波格兰德项目（Campo Grande）钻探证实一个浅部稀土成矿系统。中段钻探在1米深处见矿14米，总稀土氧化物（TREO）品位0.4022%，磁体稀土氧化物（MREO）占比为26%。北部钻探在45米深处见矿15米，TREO品位0.3268%，MREO占比21%。该矿临近巴西稀土公司（Brazilian Ra...
2025
-
10
-
27
点击次数:
52
来源：中国稀土网10月22日，内蒙古自治区工信厅副厅长杨茂盛主持召开三季度全区重点工业行业经济运行座谈会，围绕当前各重点行业发展形势、前三季度运行情况、存在的问题及对全年走势的判断展开交流，研究推动行业高质量发展相关工作。会上，自治区钢铁有色金属工业协会、有色金属产业促进会、稀土行业协会、水泥协会、石油和化学工业协会、氟硅产业促进会、氯碱行业协会、现代煤化工产业链促进会、光伏装备产业促进会、低空经...