Dans le domaine de l'aérospatiale, un capteur de vibrations piézoélectriques à haute température est l'un des rares dispositifs clés pouvant être surveillés dans un environnement difficile et à haute température. Il est donc particulièrement urgent de développer une céramique piézoélectrique haute performance comme noyau. composant de ce type de capteur. Bi4 Ti3 O12 (BIT), en tant que type vital de ferroélectriques à structure en couches de bismuth (BLSF), a de grandes perspectives d'application dans les environnements à haute température en raison de son excellent TC de 675 ℃.
Cependant, la volatilisation du Bi lors du processus de frittage dans les céramiques à base de BIT conduit à la génération de défauts de lacune en oxygène, entraînant une activité piézoélectrique relativement faible. La stratégie co-dopée non équivalente du site B proposée s'est avérée être un moyen utile de réduire efficacement la concentration de lacunes en oxygène et d'améliorer les propriétés électriques globales des céramiques à base de BIT.
Un groupe de recherche dirigé par le professeur Yejing Dai de l'Université Sun Yat-sen à Shenzhen, en Chine, a récemment signalé une nouvelle stratégie co-dopée non équivalente pour les céramiques piézoélectriques à haute température basées sur BIT afin de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus.
Grâce à la modification du site B pour les céramiques à base de BIT, il est généralement difficile d'obtenir à la fois un coefficient piézoélectrique élevé et une température de Curie élevée, ainsi qu'une grande résistivité à haute température. Il semble y avoir une restriction mutuelle entre d33 et TC en raison de la difficulté d'obtenir simultanément d'excellentes propriétés électriques et une bonne stabilité structurelle. Cette recherche vise à optimiser de manière synergique les deux paramètres en utilisant la stratégie co-dopée non équivalente du site B consistant à combiner du Ta 5+ de haute valence. et Cr 3+ de faible valence .
Les chercheurs ont publié leurs recherches dans le Journal of Advanced Ceramics. le 21 février 2024.
"Dans cette recherche, nous avons choisi le Ta 5+ à haute valence et Cr 3+ de faible valence des céramiques BIT co-dopées non équivalentes pour résoudre le problème selon lequel des performances piézoélectriques élevées, une température de Curie élevée et une résistivité à haute température ne pouvaient pas être obtenues simultanément dans les céramiques à base de BIT. Une série de Bi4 Ti3−x (Cr1/3 Ta2/3 )x O12 les céramiques ont été synthétisées par la méthode de réaction à l'état solide.
"La structure de phase, la microstructure, les performances piézoélectriques et le mécanisme conducteur des échantillons ont été systématiquement étudiés. La stratégie de codopage non équivalent du site B combinant du Ta 5+ à haute valence. et Cr 3+ de faible valence améliore considérablement les propriétés électriques en raison d'une diminution de la concentration de lacunes en oxygène. Lorsque la teneur en dopage est de 0,03 mole, les céramiques présentent un coefficient piézoélectrique élevé de 26 pC·N −1 et une température de Curie élevée de 687 ℃.
"De plus, une résistivité considérablement accrue de 2,8×10 6 Ω·cm à 500 ℃ et une bonne stabilité piézoélectrique jusqu'à 600 ℃ sont également obtenues pour cette composition. Tous les résultats démontrent que les céramiques à base de BIT co-dopées au Cr/Ta ont un grand potentiel pour être appliquées dans des applications piézoélectriques à haute température », a déclaré Mme Xuanyu Chen, première auteure de l'article et doctorante à l'École des matériaux. à l'Université Sun Yat-sen.
La stratégie de co-dopage non équivalent est une méthode efficace pour améliorer les performances électriques des céramiques à base de BIT. Grâce à l'introduction de paires d'ions non équivalentes, la concentration de défauts de lacunes en oxygène dans les céramiques BIT a été efficacement réduite et l'anisotropie de la croissance des grains a diminué. Cela fournit une nouvelle idée pour améliorer encore les propriétés piézoélectriques des céramiques à base de BIT et promouvoir leur application dans le domaine de la détection à haute température.
La prochaine étape du groupe de recherche consiste à induire des ions du site A tels que La 3+ sur une base co-dopée non équivalente sur un site B. "Nous prévoyons que le co-dopage des sites A/B augmentera encore l'activité piézoélectrique de la céramique à base de BIT, puis nous révélerons l'effet du co-dopage des sites A/B sur la structure de domaine de l'échantillon par rapport au B. co-dopage non équivalent sur site", a déclaré Mme Chen.
L'objectif de l'équipe de recherche est de fabriquer des dispositifs céramiques piézoélectriques à couches de bismuth dotés d'excellentes propriétés électriques, adaptés au travail à haute température.
Parmi les autres contributeurs figurent Mme Ziqi Ma, le professeur Bin Li et le professeur YeJing Dai de l'École des matériaux de l'Université Sun Yat-sen à Shenzhen, en Chine.
Plus d'informations : Xuanyu Chen et al, Performances piézoélectriques améliorées des piézocéramiques haute température à base de Bi 4Ti 3O 12 co-dopées non équivalentes au Cr/Ta, Journal of Advanced Ceramics (2024). DOI :10.26599/JAC.2024.9220850
Fourni par Tsinghua University Press
