以下文章来源于稀有金属RareMetals ，作者张波萍
BiAlO3掺杂BiFeO3-BaTiO3基高居里温度无铅压电陶瓷的性能增强
周晓晓，唐宇成，李和章，郝乙锦，薛梦萍，裴俊，彭小艳*，张波萍*
北京科技大学，材料科学与工程学院
清华大学，精密仪器系
中国钢铁研究院集团，北京市特种陶瓷与耐火材料重点实验室
【文献链接】
Zhou, XX., Tang, YC., Li, HZ. et al. BiAlO3-modified BiFeO3–BaTiO3 high Curie temperature lead-free piezoelectric ceramics with enhanced performance. Rare Met. (2023).
https://doi.org/10.1007/s12598-023-02407-9
【背景介绍】
BiFeO3-BaTiO3 (BF-BT) 具有高压电性和高居里温度(TC)，但铁离子变价和Bi3+挥发会促进Bi25FeO40/Bi2Fe4O9和氧空位的形成，严重降低了极化所需的绝缘性能。本研究发现BiAlO3掺杂改性可以有效地将BF- BT基陶瓷的漏电流降低至10-9 A·cm-2，其漏电流传导机制由空间电荷限制传导转变为缺陷浓度低的欧姆传导。由于绝缘性能的提高和合适的R-PC两相比例，BF-BT-0.03BA陶瓷具有优异的压电性能：d33 = 196 pC·N-1, kp = 31.1%, TC = 487 °C 和 Td = 250 ℃; 在 100 ℃时，Suni = 0.17% 和 d33* = 335 pm·V-1。由于R-PC共存相特征的畴结构及其高温翻转，233 ℃时获得的d33 = 283 pC·N-1和在100 ℃时获得的d33* = 335 pm·V-1，均表眀BF-BT-xBA陶瓷具有良好的高温压电性能和较高的去极化温度，该正向温度相关性使得BF-BT-xBA陶瓷更适用于高温环境。
【文章亮点】
1.BiAlO3掺杂改性可以有效地将BF-BT基陶瓷的漏电流降低至10-9 A·cm-2。
2.BF-BT-0.03BA陶瓷具有优异的压电性能和优良的温度稳定性：d33 = 196 pC·N-1, kp = 31.1%, TC = 487 °C and Td = 250 °C; Suni = 0.17% and d33* = 335 pm·V-1 at 100℃。
3.由于R-PC共存相特征的畴结构及其高温翻转，BF-BT-xBA陶瓷具有良好的高温压电性能和较高的去极化温度，使其更适合高温环境。
【内容简介】
日前，北京科技大学材料科学与工程学院的张波萍教授课题组在Rare Metals上发表了题为“BiAlO3-modified BiFeO3-BaTiO3 high Curie temperature lead-free piezoelectric ceramics with enhanced performance”的研究文章，系统研究了BiAlO3含量对BF-BT陶瓷的相结构、微观结构、电绝缘性能、介电性能、铁电性能和压电性能的影响，发现BiAlO3掺杂改性可以极大提高BF-BT基无铅压电陶瓷的绝缘性能和压电性能的热稳定性，为探索具有优异电绝缘性能和热稳定性的高温无铅压电陶瓷提供了基础。
【图文解析】
BF-BT-xBA陶瓷均表现为R-PC两相共存，CR/CPC值分别为61/39, 65/35, 70/30, 53/47, 38/62和6/94。
BiAlO3掺杂改性可以有效地将BF-BT基陶瓷的漏电流降低至10-9 A·cm-2，其漏电流传导机制由空间电荷限制传导 (SCLC) 转变为缺陷浓度低的欧姆传导。
BiAlO3掺杂改性可以有效减少Fe3+的变价，漏电流传导机制由SCLC转变为欧姆传导，提高了电阻率ρ。氧空位含量的降低，表明其对畴的钉扎效应减弱，畴翻转更容易，从而提高了BF-BT-xBA陶瓷的铁电及压电性能。
所有BF-BT-xBA陶瓷都具有饱和的P-E环、典型的单极S-E和双极S-E蝴蝶曲线。x ≤ 0.03时, 由于合适的CR/CPC值，Ps和Pr基本不变，随x增加，CR/CPC逐渐偏离适当的比例，Ps和Pr也呈下降趋势。当x = 0.03时，最大的Pr = 25.80 μC·cm-2，Ps = 31.09 μC·cm-2。在Spos、Sneg、d33*和Suni随x的变化中也观察到类似的趋势。
随温度从RT升高到120 ℃，所有BF-BT-xBA陶瓷都表现出饱和的P-E环和尖锐的I-E峰。随温度的增加，畴壁运动加剧，非180°畴更容易切换。当x = 0.03时，120℃时Ei值最低，最大Ps = 37.18 μC·cm-2，Pr = 34.06 μC·cm-2，Imax = 7.91×10-4 A·cm-2。
随温度从RT升高到120 ℃，所有BF-BT-xBA陶瓷均表现出典型的单极S-E和双极S-E蝴蝶曲线。随温度的升高，热激活的非180° 畴的翻转有助于应变增强，当x = 0.03时，在100 ℃时获得最大的单极应变Suni = 0.17 %和逆压电常数d33* = 335 pm·V-1，为常温测试值的1.65倍。与其他体系的压电陶瓷相比 (图6d )，BF-BT基陶瓷的归一化逆压电常数具有较大的正向温度相关性，表明BF-BT-xBA陶瓷相比于其他无铅压电陶瓷而言更适合于高温应用。
极化后的BF-BT-xBA陶瓷中，宏畴和纳米畴是有序的，并在不同温度(Td和 T1)下开始去极化，两种畴之间的竞争效应使得d33-T曲线上形成了一个稳定区间。当温度超过Td时，原始的宏观畴也开始逐渐转变为微畴、纳米畴和PNRs。
【全文小结】
1.BiAlO3掺杂改性可以有效地将BF-BT基陶瓷的漏电流降低至10-9 A·cm-2。
2.BF-BT-0.03BA陶瓷具有优异的压电性能和优良的温度稳定性：d33 = 196 pC·N-1, kp = 31.1%, TC = 487 °C and Td = 250 °C; Suni = 0.17% and d33* = 335 pm·V-1 at 100℃。
3.由于R-PC共存相特征的畴结构及其高温翻转，BF-BT-xBA陶瓷具有良好的高温压电性能和较高的去极化温度，使其更适合高温环境。
【作者简介】
张波萍，女，教授，博士生导师，入选新世纪优秀人才支持计划。1984年毕业于华中科技大学机械工程二系金属材料专业，获学士学位。1990年和1993年获日本东北大学工学部材料系工学硕士学位和工学博士学位，曾任日本东北大学以及日本工业技术院东北工业技术研究所研究员。2003年于北京科技大学材料科学与工程学院组建“功能陶瓷材料与器件”课题组，主要研究领域包括：压电陶瓷与器件、介电储能材料、热电材料与器件等。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energ. Environ. Sci.、Natl. Sci. Rev.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Chem. Eng.J.、Mater. Today Energy、Chem. Commun.、Chem. Mater.、J. Mater. Chem.A.、Appl. Phys. Lett.、J. Adv. Ceram.、J. Eur. Ceram. Soc.、J. Alloy. Compd.、Ceram. Int.、J. Am. Ceram. Soc.等国内外核心期刊上发表论文320余篇，SCI论文共被引用10893余次（他引8,672余次），H因子58。出版《全球二氧化碳回收利用: 利用可再生能源实现全球可持续发展》译著1本，获日本发明专利授权2项，申请国家发明专利78项，其中已授权60项。
转自：“北科科研”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
