No campo aeroespacial, um sensor de vibração piezoelétrico de alta temperatura é um dos poucos dispositivos principais que podem ser monitorados em um ambiente hostil e de alta temperatura, por isso é particularmente urgente desenvolver cerâmica piezoelétrica de alta temperatura e alto desempenho como o núcleo componente deste tipo de sensor. Bi₄ Ti₃ O₁₂ (BIT), como um tipo vital de ferroelétricos de estrutura em camadas de bismuto (BLSFs), tem grandes perspectivas de aplicação em ambientes de alta temperatura devido ao seu excelente T_C de 675 ℃.



No entanto, a volatilização do Bi durante o processo de sinterização em cerâmicas à base de BIT leva à geração de defeitos de vacância de oxigênio, resultando em atividade piezoelétrica relativamente baixa. A estratégia co-dopada não equivalente do local B proposta provou ser uma forma útil de reduzir efetivamente a concentração de vacâncias de oxigênio e de melhorar as propriedades elétricas abrangentes da cerâmica baseada em BIT.

Um grupo de pesquisa liderado pelo professor Yejing Dai da Universidade Sun Yat-sen em Shenzhen, China, relatou recentemente uma nova estratégia co-dopada não equivalente para cerâmica piezoelétrica de alta temperatura baseada em BIT para resolver os problemas mencionados acima.

Pela modificação do local B para a cerâmica baseada em BIT, geralmente é difícil obter um alto coeficiente piezoelétrico e uma alta temperatura Curie, bem como grande resistividade em altas temperaturas. Parece haver uma restrição mútua entre d₃₃ e T_C devido à dificuldade de alcançar simultaneamente excelentes propriedades elétricas e boa estabilidade estrutural. Esta pesquisa visa otimizar sinergicamente os dois parâmetros usando a estratégia co-dopada não equivalente do local B de combinar Ta ⁵⁺ de alta valência e Cr de baixa valência ³⁺ .

Os pesquisadores publicaram sua pesquisa no Journal of Advanced Ceramics em 21 de fevereiro de 2024.

"Nesta pesquisa, escolhemos Ta ⁵⁺ de alta valência e Cr de baixa valência ³⁺ cerâmica BIT co-dopada não equivalente para resolver o problema de que alto desempenho piezoelétrico, alta temperatura Curie e resistividade em alta temperatura não poderiam ser alcançados simultaneamente em cerâmica baseada em BIT. Uma série de Bi₄ Ti_3−x (Cr_1/3 Ta_2/3 )_x O₁₂ as cerâmicas foram sintetizadas pelo método de reação no estado sólido.

"A estrutura de fase, microestrutura, desempenho piezoelétrico e mecanismo condutor das amostras foram sistematicamente investigados. A estratégia de co-dopagem não equivalente do local B combinando Ta ⁵⁺ de alta valência e Cr de baixa valência ³⁺ aumenta significativamente as propriedades elétricas devido a uma diminuição na concentração de vacâncias de oxigênio. Quando o teor de dopagem é de 0,03 mol, a cerâmica exibe um alto coeficiente piezoelétrico de 26 pC·N ⁻¹ e uma alta temperatura Curie de 687 ℃.

"Além disso, uma resistividade significativamente aumentada de 2,8×10 ⁶ Ω·cm a 500 ℃ e boa estabilidade piezoelétrica até 600 ℃ também são obtidos para esta composição. Todos os resultados demonstram que a cerâmica à base de BIT co-dopada com Cr/Ta tem grande potencial para ser aplicada em aplicações piezoelétricas de alta temperatura", disse a Sra. Xuanyu Chen, primeira autora do artigo e estudante de doutorado na Escola de Materiais. na Universidade Sun Yat-sen.

A estratégia de codopagem não equivalente é um método eficaz para melhorar o desempenho elétrico de cerâmicas à base de BIT. Através da introdução de pares de íons não equivalentes, a concentração de defeitos de vacância de oxigênio na cerâmica BIT foi efetivamente reduzida e a anisotropia do crescimento do grão diminuiu. Isto fornece uma nova ideia para melhorar ainda mais as propriedades piezoelétricas das cerâmicas baseadas em BIT e promover sua aplicação no campo de detecção de altas temperaturas.

O próximo passo do grupo de pesquisa é induzir íons do sítio A, como La ³⁺ numa base co-dopada não equivalente de sítio B. "Esperamos que a co-dopagem do local A/B aumente ainda mais a atividade piezoelétrica da cerâmica baseada em BIT, e então revelaremos o efeito da co-dopagem do local A/B na estrutura do domínio da amostra em comparação com o B -codoping não equivalente no local", disse a Sra. Chen.

O objetivo da equipe de pesquisa é fabricar dispositivos cerâmicos piezoelétricos com camadas de bismuto com excelentes propriedades elétricas adequadas para trabalhar em altas temperaturas.

Outros colaboradores incluem a Sra. Ziqi Ma, o Professor Bin Li e o Professor YeJing Dai da Escola de Materiais da Universidade Sun Yat-sen em Shenzhen, China.

Mais informações: Xuanyu Chen et al, Desempenho piezoelétrico aprimorado de piezocerâmicas de alta temperatura à base de Bi 4Ti 3O 12 co-dopadas não equivalentes com Cr/Ta, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI:10.26599/JAC.2024.9220850
Fornecido pela Imprensa da Universidade de Tsinghua