Im Bereich der Luft- und Raumfahrt ist ein piezoelektrischer Hochtemperatur-Vibrationssensor eines der wenigen Schlüsselgeräte, das in einer Hochtemperatur- und rauen Umgebung überwacht werden kann. Daher ist es besonders dringend, leistungsstarke piezoelektrische Hochtemperaturkeramik als Kern zu entwickeln Bestandteil eines solchen Sensors. Bi4Ti3O12 (BIT) ist ein wichtiger Typ von Bismut-Schichtstruktur-Ferroelektrika (BLSFs) und hat aufgrund seines hervorragenden Temperaturkoeffizienten von 675 °C hervorragende Anwendungsaussichten in Hochtemperaturumgebungen.
Allerdings führt die Verflüchtigung von Bi während des Sinterprozesses in BIT-basierten Keramiken zur Entstehung von Sauerstofffehlstellen, was zu einer relativ geringen piezoelektrischen Aktivität führt. Die vorgeschlagene Strategie der nichtäquivalenten Kodotierung von B-Stellen hat sich als nützliche Möglichkeit erwiesen, die Konzentration von Sauerstofffehlstellen wirksam zu reduzieren und die umfassenden elektrischen Eigenschaften von BIT-basierten Keramiken zu verbessern.
Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Yejing Dai von der Sun Yat-sen-Universität in Shenzhen, China, berichtete kürzlich über eine neue nichtäquivalente co-dotierte Strategie für BIT-basierte piezoelektrische Hochtemperaturkeramiken zur Lösung der oben genannten Probleme.
Durch die B-Stellen-Modifikation für BIT-basierte Keramiken ist es normalerweise schwierig, sowohl einen hohen piezoelektrischen Koeffizienten und eine hohe Curie-Temperatur als auch einen großen spezifischen Widerstand bei hohen Temperaturen zu erreichen. Es scheint eine gegenseitige Einschränkung zwischen d33 und TC zu geben, da es schwierig ist, gleichzeitig hervorragende elektrische Eigenschaften und gute strukturelle Stabilität zu erreichen. Diese Forschung zielt darauf ab, die beiden Parameter synergetisch zu optimieren, indem die Strategie der nichtäquivalenten Kodotierung der B-Stelle verwendet wird, bei der Ta5+ mit hoher Wertigkeit und Cr3+ mit niedriger Wertigkeit kombiniert werden.
Die Forscher veröffentlicht ihre Forschung in der Zeitschrift für Hochleistungskeramik am 21. Februar 2024.
„In dieser Forschung haben wir hochwertige Ta5+- und niedrigwertige Cr3+-nichtäquivalente codotierte BIT-Keramiken ausgewählt, um das Problem zu lösen, dass eine hohe piezoelektrische Leistung, eine hohe Curie-Temperatur und ein hoher Temperaturwiderstand in BIT nicht gleichzeitig erreicht werden konnten. Keramiken auf Basis von Bi4Ti3−x(Cr1/3Ta2/3)xO12 wurden durch die Festkörperreaktionsmethode synthetisiert.
„Die Phasenstruktur, Mikrostruktur, piezoelektrische Leistung und der Leitfähigkeitsmechanismus der Proben wurden systematisch untersucht. Die nichtäquivalente Kodotierungsstrategie der B-Stelle, die hochwertiges Ta5+ und niedrigwertiges Cr3+ kombiniert, verbessert die elektrischen Eigenschaften aufgrund einer Verringerung erheblich Bei einem Dotierungsgehalt von 0,03 Mol weisen Keramiken einen hohen piezoelektrischen Koeffizienten von 26 pC·N−1 und eine hohe Curie-Temperatur von 687 °C auf.
„Darüber hinaus werden für diese Zusammensetzung auch ein deutlich erhöhter spezifischer Widerstand von 2,8×106 Ω·cm bei 500 ℃ und eine gute piezoelektrische Stabilität bis 600 ℃ erreicht. Alle Ergebnisse zeigen, dass mit Cr/Ta co-dotierte BIT-basierte Keramiken großes Potenzial haben.“ für den Einsatz in piezoelektrischen Hochtemperaturanwendungen“, sagte Frau Xuanyu Chen, die Erstautorin des Artikels und Doktorandin an der School of Materials der Sun Yat-sen-Universität.
Die nichtäquivalente Co-Dotierungsstrategie ist eine wirksame Methode zur Verbesserung der elektrischen Leistung von BIT-basierten Keramiken. Durch die Einführung nichtäquivalenter Ionenpaare wurde die Konzentration von Sauerstofffehlstellen in der BIT-Keramik effektiv reduziert und die Anisotropie des Kornwachstums verringert. Dies liefert eine neue Idee zur weiteren Verbesserung der piezoelektrischen Eigenschaften von BIT-basierten Keramiken und zur Förderung ihrer Anwendung im Bereich der Hochtemperatursensorik.
Der nächste Schritt der Forschungsgruppe besteht darin, A-Stellen-Ionen wie La3+ auf einer B-Stellen-nichtäquivalenten kodotierten Basis zu induzieren. „Wir gehen davon aus, dass die Kodotierung der A/B-Stellen die piezoelektrische Aktivität der BIT-basierten Keramik weiter steigern wird, und dann werden wir die Auswirkung der Kodotierung der A/B-Stellen auf die Domänenstruktur der Probe im Vergleich zu B aufzeigen.“ „nichtäquivalentes Co-Doping vor Ort“, sagte Frau Chen.
Ziel des Forschungsteams ist die Herstellung piezoelektrischer Keramikgeräte mit Wismutschicht und hervorragenden elektrischen Eigenschaften, die für den Betrieb bei hohen Temperaturen geeignet sind.
Weitere Mitwirkende sind Frau Ziqi Ma, Professor Bin Li und Professor YeJing Dai von der School of Materials der Sun Yat-sen-Universität in Shenzhen, China.
Mehr Informationen:
Xuanyu Chen et al., Verbesserte piezoelektrische Leistung von nicht äquivalent codotierten Cr/Ta-Hochtemperatur-Piezokeramiken auf Bi 4Ti 3O 12-Basis, Zeitschrift für Hochleistungskeramik (2024). DOI: 10.26599/JAC.2024.9220850
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