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上海大学发表关于无铅压电BF-BT大应变起源及驱动器研究成果_科技

发布日期:2020-08-08 04:16   来源:未知   阅读:

压电陶瓷是一种重要的智能材料,作为传感器、驱动器和换能器的核心部件在国防、石油化工、汽车、航空航天、智能制造以及无损检测与控制等领域起到了举足轻重的作用。由于具有优良的介电和压电性能,锆钛酸铅(PZT)陶瓷占据主流市场。但是该固溶体含有约60 wt%的有害物质铅,在生产、使用和废弃过程中都会对人类健康、生态和社会造成污染。随着人们环保意识和健康生活要求的提高,各个国家开始出台法律限制含铅材料的使用。近20年,涌现出一系列重要的材料体系,如锆和钙改性钛酸钡(BCT-BZT)、钛酸铋钠-钛酸钡(BNT-BT)、铌酸钾钠(KNN)和铁酸铋-钛酸钡(BF-BT)固溶体等。与其它无铅固溶体相比,BF-BT固溶体的居里温度更高、铁电-顺电相变之前没有结构相变,预示着其介电、压电性能具有良好的温度稳定性,能在宽温度范围内应用,是目前国际压电领域的研究重点。

BF-BT固溶体的相结构是伪立方时,展示出大电致应变且最佳烧结温度低(900-1000oC),有望成为一种低成本压电多层驱动器用材料,在精密驱动领域有潜在应用。但是,其大应变起源一直没有明确的答案,同时相关的器件也鲜有报道。

最近,上海大学材料学院智能材料与器件实验室联合伍伦贡大学和澳洲同步辐射中心,对BF-BT固溶体在多物理场(静水压、温度和电场)作用下的结构演变与宏观物理性能关系进行研究,解开了伪立方结构BF-BT基固溶体大应变之谜,深入分析了在不同电场作用下应变的贡献机制,并研制了多层压电驱动器,加深、推动了该固溶体物性的研究、理解和应用。

图一BF-BT固溶体单向应变图(左)以及与成分材料的对比(右)

首先,如图一所示,他们采用固相反应法制备了伪立方结构的BF-BT固溶体,其单向应变量达到0.38%(60 kV/cm),优于文献中报道的相关数据;以Ag/Pd为内电极,采用流延工艺制备了高质量的多层压电驱动器,在室温到150oC的温度区间内,应变量由0.22%增加到0.3%,同时应变滞回逐渐减小,有望成为一种环境友好型的压电驱动器。其次,介电温谱分析结果表明,该固溶体的冻结温度为179oC,远高于室温,所以大应变并非是非遍历态到遍历态的转变引起的。进一步,如图二所示,原位同步辐射研究结果表明,在电场作用下,单一尖锐的(200)pc衍射峰宽化,且向低角度移动(加载电场),之后又返回高角度;与此同时,单一尖锐对称的(222)pc衍射峰逐渐宽化→劈裂→邻峰强度变化(加载电场),之后衍射峰逐渐合并,回归原位(卸载电场)。

图二原位同步辐射结果(左)及各种机制对应变的贡献(右)

最后,综合以上结果可知,在电场作用下,BF-BT固溶体发生了由伪立方到三方相的可逆相变,而晶格应变、相变以及电畴运动均对应变有贡献。结合理论分析,绘制了不同电场作用下各种机制对应变的贡献。在国际上,首次明确发现了该固溶体大应变的起源,并量化分析了晶格应变、相变和电畴运动对其贡献。相关研究成果以“Origin of large electric-field-induced strain in pseudo-cubic BiFeO3-BaTiO3ceramics”为题目发表在国际知名刊物Acta Materialia上。该论文的第一单位为上海大学,第一和通讯作者是材料学院智能材料与器件实验室的陈建国副研究员,澳洲伍伦贡大学的张树君教授等为共同通讯作者。

该课题组研究方向是压电、铁电、微波介质以及可见光光催化材料的基础与应用研究。陈建国副研究员长期从事Bi(Me)O3基高温压电和铁电材料组成设计、制备、结构和性能关系及器件的研究,以第一作者或者通讯作者已在Acta Materialia(IF:7.6,DOI: 10.1016/j.actamat.2020.07.032),Nano energy(IF:16.6,DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.04.055),Energy conversion and management(IF:8.2, DOI:doi.org/10.1016/j.enconman.2019.112084),Journal of the European Ceramic Society(IF:4.5,DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.01.059;DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.02.064;DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2019.02.013)等国际top期刊上发表相关研究内容。这些工作得到了国家自然科学基金(面上项目:51872180和51672169;青年项目:51302163)和上海市自然科学基金(18ZR1414800)的支持。

来源:上海大学

全文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420305383?via%3Dihub