高居里温度CBN基压电陶瓷缺陷控制与电性能优化
批准号:
51802344
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
24.0 万元
负责人:
彭志航
依托单位:
学科分类:
E0206.功能陶瓷
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
曹峰、向阳、费厚军、邢星河、朱程鑫
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中文摘要
高温压电传感器是监测高温环境下各类装备振动状态的核心元件;而制作这类元件的关键材料是高居里温度压电陶瓷。铌酸铋钙[CaBi2Nb2O9(CBN)]陶瓷居里温度高达940℃,在高温压电领域有重要应用潜力。目前的研究表明稀土离子掺杂能够有效地增强CBN陶瓷的压电性,但缺乏对掺杂CBN陶瓷中缺陷和电性能关联性的系统研究。缺陷对陶瓷性能有非常重要的影响。本项目将从缺陷切入,研究稀土掺杂CBN陶瓷缺陷形态和缺陷控制,以期通过控制陶瓷缺陷实现电性能的优化。重点解决如下三个关键科学问题:1)设计制备稀土掺杂CBN陶瓷,定位稀土离子位置,识别缺陷形态;2)研究高温下稀土掺杂CBN陶瓷的缺陷运行模式,建立缺陷运动模型,认识缺陷运动与电性能的关联机理;3)掌握通过缺陷设计来实现高温压电性能定向优化的方法。本项目能够为新型高温压电材料中缺陷的设计与控制、性能优化以及相关器件研制提供理论及实验支撑。
英文摘要
High temperature piezoelectric sensors are the core components to monitor the vibration state of many equipments operating in high temperature environment. High Curie-temperature piezoelectric ceramics are the key materials for these sensors. Calcium bismuth niobate [CaBi2Nb2O9 (CBN)] with an ultra-high Curie temperature (~940℃) has important potential in high temperature piezoelectric applications. It is reported that the rare-earth dopants effectively enhance the piezoelectric properties of CBN-based ceramics. Unfortunately, the research on the relationship between defects and electrical properties is scarce. The properties of ceramics are strongly influenced by defects. This project will study the defect morphologies of rare-earth modified CBN-based ceramics and optimize the electrical properties by controlling the ceramic defects. The study will solve the following three primary problems: 1) design and synthesize rare earth ions doped CBN ceramics, locate the defects and identify the defect morphologies; 2) investigate the transition behavior of defects and corresponding mechanism of electrical properties; 3) acquire the method to distinctively optimize electrical properties by tailoring the internal defects. This project can provide theoretical and experimental support for the design and control of defects, performance optimization in the new high temperature piezoelectric materials, and the development of related devices.
振动信号是工业测量中的重要参量之一。航空发动机、蒸汽轮机、石化管道等设备中需要大量能够在高温环境下工作的传感器用于各类型信号的采集。高温压电式振动传感器是被广泛应用的高温振动传感器之一,其关键核心元件是高居里温度压电陶瓷。CaBi2Nb2O9(CBN)陶瓷居里温度高但压电活性低。本工作使用传统固相烧结工艺,制备了不同多元稀土离子掺杂CBN陶瓷,研究掺杂元素、掺杂浓度、以及烧结工艺条件对CBN陶瓷晶体结构、显微形貌、电性能等的影响。.制备了La、Ce、Nd、Sm、Dy、Er、Yb等稀土元素掺杂CBN陶瓷,试验结果表明除Ce元素外,陶瓷的晶格畸变程度随稀土离子半径的减小而增加,引起居里温度从929℃增加至962℃,同时减低了陶瓷高温下的介电损耗。高温交流阻抗结果表明Ce掺杂CBN陶瓷的电导行为由晶粒内部与晶界电导共同控制。Ce离子掺杂造成了陶瓷内部出现大量的氧空位,引起陶瓷直流电阻率的显著下降,降低了电导激活能。由于这些氧空位的出现,使得陶瓷电畴壁的迁移更加容易,提高了掺杂CBN陶瓷的压电活性。.制备了La/Ce、Nd/Ce多元稀土掺杂CBN陶瓷。对XRD数据进行了精修分析,获得了不同掺杂浓度CBN陶瓷内部晶格原子位置、键长、键角等精细特征信息。结果表明,随着掺杂浓度的变化,陶瓷的晶体结构由正交结构向四方结构演变。BO6八面体中,O1-Nb-O1的键长差异逐渐减小,同时CBN层内两个氧八面体的夹角逐渐增大,表明陶瓷晶体的对称性增大。压电活性的增加与晶体对称性的增加成对应关系,使得陶瓷的极化更加容易,压电性能得到显著增强。此外,研究了烧结条件对La/Ce掺杂CBN陶瓷相关结构及性能的影响,d33值达17.5 pC/N,经850℃/2h老化后,d33值达15.7 pC/N,为初始值的90%。.通过项目的开展获得重要结论:提高CBN陶瓷的晶体对称性,能够提高陶瓷压电活性;氧空位是CBN陶瓷中重要的缺陷形式,对电阻、压电温度稳定性有负面作用。通过Sr/W掺杂CBN陶瓷的制备与性能测量证实了上述观点,获得了综合性能优异的CBN陶瓷组分,为高温压电陶瓷及其器件的开发提供了重要的指导。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.15983/j.cnki.jsnu.2021.02.010
发表时间:2021
期刊:陕西师范大学学报(自然科学版)
影响因子:--
作者:彭志航;曾祥雄;向阳;曹峰
通讯作者:曹峰
Microstructure and Electrical Properties of Lanthanides-doped CaBi2Nb2O9 Ceramics
稀土掺杂CaBi2Nb2O9陶瓷的显微结构和电学性能
DOI:10.1016/j.materresbull.2021.111670
发表时间:2021-12
期刊:Materials Research Bulletin
影响因子:5.4
作者:Zhihang Peng;Li Chen;Yang Xiang;Feng Cao
通讯作者:Feng Cao
DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2019.04.009
发表时间:2019
期刊:电子元件与材料
影响因子:--
作者:邢星河;彭志航;曹峰
通讯作者:曹峰
B位掺杂CBN基压电陶瓷缺陷识别与高温运动行为
- 批准号:2018JJ3612
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2018
- 负责人:彭志航
- 依托单位:
国内基金
海外基金















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