中國粉體網訊 壓電陶瓷是一種能夠實現電能-機械能相互轉換的電子功能材料，將機械能轉換成電能的稱為正壓電效應，將電能轉換成機械能的稱為逆壓電效應。由壓電陶瓷材料構建的各種壓電元器件(如壓電引信、壓力傳感器、超聲傳感器、紅外探測器等)廣泛應用于兵器工業、航空航天、安防報警、醫用設備、家用電器、石油勘探等遍及軍用和民用的諸多領域。
隨著現代科技的不斷進步與發展，一些重要領域都迫切需要能夠在高溫下穩定工作的電子設備，如石油化工、電力能源、冶金礦產、航空航天等，而用于這些電子設備的壓電材料在高溫環境下使用時必須具備以下兩個條件，一是該材料應具有較高的居里溫度，使其壓電性不會受高溫影響；二是在較寬的溫度范圍內，材料的壓電參數能夠保持穩定，從而保證電子設備在運行過程中能夠正常工作。目前，科學家都普遍致力于高居里溫度、高性能的壓電陶瓷材料研究。
2001年，美國研制出了一種新型的鈣鈦礦體系BiScO3-PbTiO3(BS-PT)，該體系是將PT和BiScO3進行復合并采用固相法制備而得，從下表可看出，BS-PT體系壓電陶瓷具有很高的居里溫度，且其性能足以媲美PZT陶瓷。但是BS-PT壓電陶瓷的溫度穩定性差及退極化溫度（Td）低，極大限制了其在實際高溫領域中的應用。
BS-PT體系和其他體系壓電陶瓷性能比較
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所壓電陶瓷材料與器件研究團隊通過微結構調控和組成設計優化等策略，對BS-PT壓電陶瓷開展了系列研究，并取得了系列進展。基于晶格畸變和對稱演化理論，設計了BiScO3-PbTiO3-Bi(Sn1/3Nb2/3)O3(BS-PT-BSN)高溫壓電陶瓷，實現對壓電性能和溫度穩定性的雙重調控。進一步通過TEM/PFM/XRD等跨尺度結構表征，揭示了其性能提升的關鍵因素是豐富疇形態的形成和疇密度的提高，驗證了四方相結構是提高溫度穩定性的重要依據。
高溫換能器在高溫下的不同保溫時間脈沖回波圖 (A) 380℃，(B) 450℃
研究組還通過軌道雜化提高A-O及B-O鍵的結合力，設計制備了兼具高壓電性能（從380pC/N提高至490pC/N）、高居里溫度（428℃）、高退極化溫度（從250℃提高至410℃）的新型BS-PT鉛基壓電陶瓷材料。然后以上述高溫度穩定性、高壓電性能的壓電陶瓷為核心元件，制備了4.5MHz的超聲換能器樣件。該超聲換能器在380℃和450℃高溫模擬環境中長時間（24h/14h）穩定工作后，靈敏度依然維持在470mV。此外，在室溫到450℃溫區內保證高-6dB帶寬（>95%），高于傳統PZT陶瓷換能器（~60%），有望應用于深部石油勘探、壓電噴油閥等領域中。
參考來源：
[1]上海硅酸鹽研究所
[2]王丹鈺等.高溫壓電陶瓷材料的研究進展及應用
