高居里點(diǎn)鐵電材料課題參考資料

（一）立項(xiàng)依據(jù)與研究?jī)?nèi)容項(xiàng)目的立項(xiàng)依據(jù)壓電材料是一種國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的重要高技術(shù)功能材料，它可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于音響設(shè)備、傳感器、報(bào)警器、超聲清洗、醫(yī)療診斷及通訊等許多領(lǐng)域。在航空航天、能源、核能等高精尖技術(shù)領(lǐng)域，許多壓電傳感器、換能器、諧振器的關(guān)鍵器件是在高溫環(huán)境下工作，比如能源和冶金等部門(mén)檢測(cè)過(guò)熱蒸氣流量的高溫渦街流量傳感器工作環(huán)境溫度為300?400oC；飛船、衛(wèi)星、導(dǎo)彈發(fā)射前和發(fā)射過(guò)程中，對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和檢測(cè)的高溫壓電傳感器工作環(huán)境溫度更是高達(dá)500oC以上。因此開(kāi)發(fā)在盡可能高的溫度環(huán)境中穩(wěn)定工作，并同時(shí)具有較強(qiáng)壓電性能的壓電材料，是世界各國(guó)在高新技術(shù)領(lǐng)域都迫切需要解決的問(wèn)題。研制超高溫高壓電性能的壓電器件十分困難，原因是：一、高居里點(diǎn)的壓電材料很少，超高居里點(diǎn)的壓電材料更是十分稀少；二、高居里點(diǎn)的壓電材料其壓電性能大都很低，而且高居里點(diǎn)與高壓電性能是極其難以兼?zhèn)涞摹＿@就使得長(zhǎng)期以來(lái)，特種高溫壓電器件不得不使用生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高的壓電單晶材料，因此，開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異性能的高居里點(diǎn)壓電陶瓷材料已成為當(dāng)務(wù)之急。國(guó)際上極少數(shù)廠家，如美國(guó)ENDEVCO公司，丹麥B&K公司等長(zhǎng)期占據(jù)著高溫壓電器件市場(chǎng)，我國(guó)在高溫壓電材料的研究方面，與國(guó)際水平相比還有較大的差距，高溫壓電器件主要依賴(lài)進(jìn)口。因此，加大對(duì)高溫壓電元器件的研制力度，開(kāi)發(fā)出具有創(chuàng)新性、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能壓電陶瓷材料和元器件，是我們中國(guó)材料、物理、化學(xué)、電子科技工作者責(zé)無(wú)旁貸的緊迫任務(wù)。由于工作溫度環(huán)境的制約，目前高溫壓電陶瓷研究多集中于鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷，原因在于鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電材料具有居里溫度高，自發(fā)極化強(qiáng)，電阻率高，老化率低，諧振頻率的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性好，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高和易燒結(jié)的特點(diǎn)。鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷在高溫高頻領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是鐵電壓電材料研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。目前集中研究的高溫鉍層狀結(jié)構(gòu)原型化合物的居里溫度T和壓電應(yīng)變常數(shù)d33見(jiàn)c 33下表：CaBi2Nb2O9Bi3TiNbO9Bi4Ti3O12CaBi4Ti4O15Tc（心940914675790670d33(pC/N)7[1]7[2]15[3]15[4]16從上表可以看出，鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的壓電性能普遍較弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PZT陶瓷，這是由鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物本身結(jié)構(gòu)所決定，即其自發(fā)極化受二維限制。鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物有很強(qiáng)的各向異性，導(dǎo)致其鐵電壓電性能等物理性能也有很強(qiáng)的各向異性。從表中還可看出，居里溫度超過(guò)900oC的超高溫壓電材料，只是鉍層狀結(jié)構(gòu)鈮酸鹽，但是其壓電活性更低，壓電應(yīng)變常數(shù)d33小于10pC/N。為了提高鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的鐵電壓電性能，在對(duì)其組分、結(jié)構(gòu)及性能的系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整組分、控制工藝等方法可以明顯提高材料的鐵電壓電性能，其中，陶瓷晶粒定向技術(shù)是行之有效的控制工藝之一［5］。陶瓷晶粒定向技術(shù)是指通過(guò)工藝控制，使原本無(wú)規(guī)則取向的陶瓷晶粒定向排列，使材料的某些物理性能接近單晶的性能。晶粒定向技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)改性，與傳統(tǒng)的摻雜改性相比，晶粒定向技術(shù)具有不改變陶瓷居里溫度的優(yōu)點(diǎn)。晶粒定向可以通過(guò)在材料制備過(guò)程中施加機(jī)械力、電場(chǎng)或者溫度梯度來(lái)獲得，也可以通過(guò)添加模板晶粒的方法獲得，其方法主要有：熱處理陶瓷晶粒定向法，外加電場(chǎng)法，模板晶粒定向生長(zhǎng)法，多層晶粒生長(zhǎng)法以及定向凝固法等。國(guó)外研究起步較早的有美國(guó)、日本等國(guó)家。美國(guó)賓州州立大學(xué)Messing課題組以片狀SrTiO3為模板，用反應(yīng)模板晶粒生長(zhǎng)法制備的織構(gòu)化（Nai/iQTQBaTQ陶瓷，其壓電應(yīng)變常數(shù)d33（丄）提高了一倍［磯日本東京理工大學(xué)Takenaka課題組用熱處理技術(shù)（熱鍛）制備的織構(gòu)化Bi4Ti3O12陶瓷，其鐵電性能（剩余極化Pr）提高了兩倍，壓電常數(shù)d33（丄）提高了一倍［7］。日本豐田中央研究所Takeuchi課題組采用模板晶粒生長(zhǎng)技術(shù)制備的CaBi4Ti4O15壓電陶瓷，其壓電常數(shù)d33（丄）可達(dá)45pC/N，而傳統(tǒng)工藝制備的CaBi4Ti4Oi5壓電陶瓷，其壓電常數(shù)d33只有15pC/N［8］。國(guó)內(nèi)對(duì)鈣鈦礦鉛基壓電陶瓷和環(huán)境協(xié)調(diào)型無(wú)鉛壓電陶瓷的研究頗多，研究基礎(chǔ)較為雄厚，上海硅酸鹽研究所，西安交通大學(xué)，西北工業(yè)大學(xué)，四川大學(xué)，武漢理工大學(xué)，清華大學(xué)，山東大學(xué)等科研院所都取得過(guò)很好的研究成果。國(guó)內(nèi)使用陶瓷晶粒定向技術(shù)制備鐵電壓電陶瓷研究較多的有上海硅酸鹽研究所、西北工業(yè)大學(xué)等科研院所［9-14］。上海硅酸鹽研究所李永祥課題組用絲網(wǎng)印刷多層晶粒生長(zhǎng)法制備的織構(gòu)化CaBi4Ti4Oi5壓電陶瓷，有效地提高了材料的壓電性能切；王評(píng)初課題組利用定向凝固法制備了高取向度的PMN-0.3PT陶瓷，其壓電常數(shù)d33達(dá)到了1600pC/N，為普通燒結(jié)PMN-0.3PT陶瓷的三倍［⑹。上述國(guó)內(nèi)外研究表明，經(jīng)過(guò)織構(gòu)化的壓電陶瓷，在結(jié)構(gòu)和性能方面都具有很強(qiáng)的各向異性，壓電性能在特定方向得到較大程度的提高?？梢哉f(shuō)，陶瓷晶粒定向技術(shù)對(duì)于提高陶瓷材料的鐵電壓電性能是有效可行的方法。迄今為止，晶粒定向技術(shù)還處于初步研究階段，無(wú)論是陶瓷晶粒定向技術(shù)方法本身還是利用此方法制備高性能的陶瓷材料均有待于進(jìn)一步深入研究，需要更多的努力才能使這種技術(shù)早日應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中。本課題組長(zhǎng)期從事高溫居里點(diǎn)鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料的研究工作，對(duì)高溫壓電材料體系進(jìn)行了大量研究工作，在提高壓電性能方面取得了較大進(jìn)展，采用傳統(tǒng)工藝制備了多種鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料。在對(duì)NaosBiqsTiqO^體系的研究中，將NaQ5Bi45Ti4Oi5的壓電常數(shù)d33從前人的16pC/N提高到30pC/N，其壓電活性提高了一倍，且居里溫度高于650oC［15-17］。在對(duì)超高溫CaBi2Nb2O9壓電陶瓷的改性研究中，成功研制了高性能CaBi2Nb2O9壓電陶瓷［18］,改性后組分的居里點(diǎn)在900oC左右，壓電常數(shù)d33可達(dá)16pC/N，這是目前報(bào)道的同工藝下的最好性能，是對(duì)超高溫壓電材料在性能上的一個(gè)突破。該組分在室溫到800oC范圍內(nèi)，機(jī)電耦合系數(shù)k和k幾乎不變，是一種適合于在超高溫環(huán)境中工作的壓電陶瓷材料。我們對(duì)熱壓pt燒結(jié)和模板晶粒生長(zhǎng)法這兩種晶粒定向技術(shù)分別進(jìn)行了大量的前期研究工作，通過(guò)調(diào)整工藝過(guò)程制備出了擇優(yōu)取向的織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷，方向擇優(yōu)取向的CaBi2Nb2O9的壓電性能遠(yuǎn)高于未取向的樣品。我們的前期工作表明，我們?cè)谔剿骱椭苽涑邷貕弘娞沾刹牧戏矫嫒〉昧艘恍┖芎玫难芯砍晒?，在熱壓和模板晶粒定向制備技術(shù)方面已有了較成功的經(jīng)驗(yàn)。本課題選擇超高溫CaBi2Nb2O9陶瓷為研究對(duì)象，開(kāi)展替位改性研究，使鈣鈦礦結(jié)構(gòu)發(fā)生適當(dāng)畸變，實(shí)現(xiàn)極化時(shí)電疇轉(zhuǎn)向容易的目的，使壓電性能得到充分提高。本課題擬分別采用熱壓燒結(jié)技術(shù)和模板晶粒定向技術(shù)對(duì)陶瓷材料展開(kāi)晶粒定向研究，以提高材料的壓電性能及機(jī)理研究為工作目標(biāo)，通過(guò)工藝控制，制備擇優(yōu)取向度高，壓電性能好的織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷。我們相信，在我們前期工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)我們的進(jìn)一步努力和研究，我們可以制備出壓電常數(shù)d33不低于30pC/N，居里溫度在900oC左右的高性能超高溫壓電陶瓷材料。同時(shí)我們將深入研究制備工藝、組分、粉料顆粒度、晶粒定向與性能之間的關(guān)系，以及提高壓電性能的機(jī)理和規(guī)律，探索出制備高性能超高溫壓電材料的新途徑，尋求研制高性能超高溫壓電陶瓷的理論指導(dǎo)。項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo)，以及擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究?jī)?nèi)容（1） 超高溫CaBi2Nb2O9壓電陶瓷性能調(diào)控的研究通過(guò)適合于十二配位的Sr2+,La3+,Ce4+等離子，復(fù)合離子（A'1/2A"1/2,其中A為+1價(jià)離子，A"為+3價(jià)離子）對(duì)CaBi2Nb2O9壓電陶瓷的A位Ca2+離子進(jìn)行取代改性；通過(guò)適合于八面體配位的Zr4+,Ta5+,W6+等離子對(duì)CaBi2Nb2O9的B位Nb5+離子進(jìn)行取代改性；在不降低或稍降低居里溫度的情況下，提高材料的壓電活性，制備高性能的超高溫CaBi2Nb2O9壓電陶瓷材料。共生鐵電體具有更高的自發(fā)極化，更優(yōu)異的鐵電性能，將CaBi2Nb2O9與Bi4Ti3O12復(fù)合得到共生鐵電體CaBi2Nb2O9-Bi4Ti3O12,研究不同Bi4Ti3O12含量與材料壓電鐵電性能的關(guān)系。（2） 粉料顆粒度和均勻性對(duì)CaBi2Nb2O9壓電陶瓷壓電性能的影響粉料顆粒度和均勻性對(duì)陶瓷樣品的壓電性能有著重要影響。采用化學(xué)制粉工藝制粉，研究粉料顆粒度和均勻性對(duì)上述取代改性的高性能壓電陶瓷材料的壓電性能、介電性能和高溫電阻率的影響。采用溶膠包裹技術(shù)對(duì)粉料進(jìn)行包裹，制備樣品，探索晶粒大小、均勻度對(duì)壓電性能和介電性能及其溫度穩(wěn)定性的影響。（3） 熱壓燒結(jié)CaBi2Nb2O9壓電陶瓷及晶粒定向研究由于鉍層狀結(jié)構(gòu)陶瓷晶粒生長(zhǎng)的各向異性，利用晶粒定向技術(shù)可以得到擇優(yōu)取向的鐵電壓電性能更加優(yōu)良的織構(gòu)化陶瓷材料。熱壓燒結(jié)是一種獲得晶粒定向排列陶瓷的有效工藝，對(duì)上述改性的高性能壓電材料進(jìn)行熱壓燒結(jié)，制備各向異性明顯的在特定方向性能優(yōu)良的CaBi2Nb2O9陶瓷。熱壓過(guò)程中所施加最大壓強(qiáng)對(duì)晶粒取向度程度有著直接影響，進(jìn)而影響到材料的壓電活性，研究熱壓燒結(jié)過(guò)程中施加壓強(qiáng)與晶粒取向度及材料壓電活性的關(guān)系，探索熱壓燒結(jié)高性能CaBi2Nb2O9壓電陶瓷的最佳施加壓強(qiáng)。（4） 模板晶粒生長(zhǎng)法制備擇優(yōu)取向CaBi2Nb2O9壓電陶瓷的研究模板晶粒生長(zhǎng)法可以促進(jìn)晶粒定向生長(zhǎng)，提高陶瓷材料的特定取向度。采用模板晶粒生長(zhǎng)法，以針狀Ca2Nb2O7為模板晶粒，通過(guò)流延法和擠塑法兩種方式制備取向度高、壓電性能好的織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷材料。研究模板晶粒的粒徑及含量與陶瓷晶粒取向度和陶瓷壓電性能的關(guān)系，探索最佳模板晶粒粒徑和含量；研究模板晶粒膜的溶劑成分及厚度與織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷的壓電性能關(guān)系，探索最佳模板晶粒膜厚度，尋求制備織構(gòu)化超高溫CaBi2Nb2O9陶瓷機(jī)理和規(guī)律。（5） 高取向超高溫CaBi2Nb2O9壓電陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)和壓電特性研究利用X射線分別對(duì)熱壓燒結(jié)和模板晶粒生長(zhǎng)法制備的CaBi2Nb2O9陶瓷進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算晶粒取向度；利用掃描電子顯微鏡觀察織構(gòu)化的CaBi2Nb2O9陶瓷的顯微形貌及晶粒取向；測(cè)試不同高取向CaBi2Nb2O9陶瓷的壓電、鐵電以及介電特性；研究組分、工藝與陶瓷壓電性能的關(guān)系?？偨Y(jié)上述性能調(diào)控,化學(xué)制粉工藝，熱壓燒結(jié)以及模板晶粒生長(zhǎng)技術(shù)制備超高溫壓電陶瓷的研究，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)比和理論分析，尋求制備高性能CaBi2Nb2O9陶瓷的新途徑。研究目標(biāo)（1） 從我們已成功制備的超高溫CaBi2Nb2O9壓電材料（Phys.StatusSolidiRRL2009349）入手，采用傳統(tǒng)陶瓷工藝對(duì)CaBi2Nb2O9陶瓷進(jìn)行替位改性，進(jìn)一步提高CaBi2Nb2O9的壓電活性，制備出高性能的超高溫CaBi2Nb2O9壓電陶瓷材料。（2） 采用化學(xué)制粉工藝制備納米級(jí)CaBi2Nb2O9粉料，使用納米級(jí)粉料制備CaBi2Nb2O9陶瓷，以期提高CaBi2Nb2O9陶瓷的壓電活性。（3） 在采用化學(xué)制粉工藝制備納米級(jí)CaBi2Nb2O9粉料的基礎(chǔ)上，采用熱壓燒結(jié)技術(shù)，制備高度擇優(yōu)取向的CaBi2Nb2O9陶瓷，提高CaBi2Nb2O9陶瓷的壓電活性。（4） 以針狀Ca2Nb2O7為模板晶粒，通過(guò)工藝控制，制備高度擇優(yōu)取向的織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷，進(jìn)一步提高其壓電性能，最終制備出壓電常數(shù)d33不低于30pC/N，居里溫度在900oC左右的高性能超高溫CaBi2Nb2O9壓電陶瓷材料。（5） 材料的高溫機(jī)電特性是高溫材料應(yīng)用的關(guān)鍵，通過(guò)深入研究，解決高溫下材料機(jī)電性能下降的關(guān)鍵性問(wèn)題。材料在高溫環(huán)境下的高電導(dǎo)率會(huì)使壓電器件的漏電流過(guò)大，會(huì)對(duì)器件的零點(diǎn)和諧振點(diǎn)造成大的偏移，通過(guò)研究材料高溫下的電導(dǎo)率，找出降低材料高溫電導(dǎo)率的有效方法，從根本上揭示鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料的導(dǎo)電機(jī)理。（6） 通過(guò)研究普通燒結(jié)，熱壓燒結(jié)及模板晶粒生長(zhǎng)法制備的CaBi2Nb2O9陶瓷材料微觀形貌和結(jié)構(gòu)，研究相關(guān)組分、結(jié)構(gòu)及性能的內(nèi)在聯(lián)系，揭示出高壓電活性產(chǎn)生的物理機(jī)制并建立相應(yīng)的理論指導(dǎo)基礎(chǔ)。擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題（1）在努力提高CaBi2Nb2O9陶瓷壓電性能的同時(shí)，避免居里溫度的降低，同時(shí)進(jìn)一步降低CaBi2Nb2O9陶瓷材料的高溫電導(dǎo)率是本項(xiàng)目需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。熱壓法雖然能得到高取向度的陶瓷，但取向率受工藝過(guò)程影響，進(jìn)而影響到材料的壓電活性，所以尋找熱壓燒結(jié)CaBi2Nb2O9陶瓷的最佳加壓溫區(qū)和壓強(qiáng)是本項(xiàng)目需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。作為晶粒定向的素坯膜(晶粒模板膜)是制備擇優(yōu)取向的CaBi2Nb2O9陶瓷的關(guān)鍵，制備出高取向度的素坯膜是本項(xiàng)目需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。材料的溫度穩(wěn)定性是材料在超高溫工作環(huán)境中應(yīng)用的關(guān)鍵，在提高陶瓷材料壓電性能的同時(shí)，提高材料的溫度穩(wěn)定性也是本項(xiàng)目需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。擬采取的研究方案及可行性分析研究方案超高溫鉍層狀結(jié)構(gòu)CaBi2Nb2O9陶瓷的性能調(diào)控研究方案在前期工作中，采用傳統(tǒng)工藝制備的替位取代改性的CaBi2Nb2O9陶瓷，其壓電性能得到較大提高，將壓電常數(shù)d33提高到16pC/N，同時(shí)居里溫度維持在900oC左右，而且提高了材料的機(jī)電耦合系數(shù)的溫度穩(wěn)定性。在本項(xiàng)目中，我們擬對(duì)CaBi2Nb2O9陶瓷材料采取造空位，替位取代，摻雜改性等性能調(diào)控手段，進(jìn)一步提高CaBi2Nb2O9陶瓷材料的壓電性能及其溫度穩(wěn)定性?；瘜W(xué)制粉工藝制備CaBi2Nb2O9陶瓷的研究方案將Nb2O5在70oC溶解于濃氫氟酸中，逐滴滴加氨水形成Nb(OH)5絮狀沉淀，抽濾、洗滌后，溶解于檸檬酸水溶液中；按照一定比例將硝酸鈣，硝酸鉍的水溶液加入到上述Nb-檸檬酸溶液中，攪拌使其混合均勻，再將檸檬酸按一定摩爾比加入到溶液中去，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?；將溶液?0?100°C加熱，得到粘稠的凝膠；將凝膠置于烘箱中保溫，直至得到泡沫狀蓬松前驅(qū)體；低溫煅燒后得到納米級(jí)CaBi2Nb2O9粉料，采用納米級(jí)粉料制備CaBi2Nb2O9壓電陶瓷。熱壓燒結(jié)制備CaBi2Nb2O9陶瓷的研究方案將粉料按一定的化學(xué)計(jì)量比，固相合成，壓制成圓柱形樣品，熱壓燒結(jié)，沿平行和垂直于熱壓軸方向切割。調(diào)節(jié)加壓溫區(qū)和壓強(qiáng)，配合XRD，研究晶粒取向度，探索熱壓燒結(jié)CaBi2Nb2O9陶瓷的最佳加壓溫區(qū)和壓強(qiáng)，制備高度擇優(yōu)取向的CaBi2Nb2O9陶瓷。模板晶粒生長(zhǎng)法制備擇優(yōu)取向CaBi2Nb2O9陶瓷的研究方案按方案(2)制備的前驅(qū)體溶液漿料采用擠塑法制備織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷。按方案(2)制備的前驅(qū)體溶液漿料用來(lái)流延，流延膜干燥后，從襯底上剝離開(kāi)來(lái)，疊片，壓片，裁剪后素坯排膠以去除其中的有機(jī)溶劑，然后燒結(jié)即可得到織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷。(5)性能測(cè)試分析對(duì)上述四種研究方案制備的高性能超高溫CaBi2Nb2O9陶瓷的介電、壓電和鐵電性能進(jìn)行測(cè)試。利用Agilent4294A阻抗分析儀測(cè)試材料的介電性能，用RT6000HVS壓電鐵電綜合測(cè)試儀測(cè)試材料的鐵電性能，用安捷倫4294A阻抗分析儀和聲學(xué)所的ZJ-3A型d33準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量?jī)x測(cè)試材料的壓電性能?？尚行苑治錾暾?qǐng)人王春明一直在山東大學(xué)電介質(zhì)物理研究室從事研究工作，在鉍層狀結(jié)構(gòu)鐵電體的研究中做了大量的基礎(chǔ)性研究，通過(guò)性能調(diào)控成功制備出高性能的高溫鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料(Appl.Phys.Lett.89202905)o在對(duì)超高溫CaBi2Nb2O9壓電材料的研究中，也取得了一定進(jìn)展，采用傳統(tǒng)陶瓷工藝對(duì)CaBi2Nb2O9陶瓷進(jìn)行替位改性研究，提高了CaBi2Nb2O9的壓電活性，制備出居里溫度T在900°C左右，高壓電活性2 29 c(d33~16pC/N)的CaBi2Nb2O9超高溫壓電陶瓷材料(Phys.StatusSolidiRRL2009349)。我們對(duì)熱壓燒結(jié)和模板晶粒生長(zhǎng)法這兩種晶粒定向技術(shù)分別進(jìn)行了大量的前期研究工作，通過(guò)調(diào)整工藝過(guò)程制備出了擇優(yōu)取向的織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷，方向擇優(yōu)取向的CaBi2Nb2O9的壓電性能遠(yuǎn)高于未取向的樣品。這些先期研究以及下文所述的本課題組研究基礎(chǔ)與工作條件，可以看出本課題的申請(qǐng)是有充分基礎(chǔ)和可行性的。本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新之處申請(qǐng)者在對(duì)超高溫CaBi2Nb2O9壓電材料的前期研究中，采用傳統(tǒng)陶瓷工藝，制備出居里溫度T在900oC2 29 c左右，高壓電活性(d33?16pC/N)的CaBi2Nb2O9超高溫壓電陶瓷材料，這是目前報(bào)道的同工藝下的最好性能。本項(xiàng)目擬將CaBi2Nb2O9陶瓷材料的壓電性能再提高一倍，制備出壓電常數(shù)d33不低于30pC/N，居里溫度在900oC左右的高性能超高溫壓電陶瓷材料是我們的研究目標(biāo)，也是本項(xiàng)目的主要特色與創(chuàng)新之一。采用化學(xué)制粉工藝制備CaBi2Nb2O9納米級(jí)粉料，采用溶膠包裹技術(shù)制備CaBi2Nb2O9陶瓷，是本項(xiàng)目的特色之一。本項(xiàng)目擬采用針狀Ca2Nb2O7為模板晶粒，制備高度擇優(yōu)取向的CaBi2Nb2O9陶瓷模板晶粒膜。探索模板晶粒膜的溶劑成分及厚度對(duì)織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷性能影響的機(jī)理和規(guī)律，是本項(xiàng)目的另一個(gè)特色和創(chuàng)新。年度研究計(jì)劃及預(yù)期研究結(jié)果年度研究計(jì)劃2010年1月一2010年12月：通過(guò)替位取代，摻雜，造空位等對(duì)CaBi2Nb2O9壓電陶瓷進(jìn)行性能調(diào)控，提高CaBi2Nb2O9陶瓷的壓電特性。在性能調(diào)控研究基礎(chǔ)上，優(yōu)選組分，制備CaBi2Nb2O9納米級(jí)粉料和CaBi2Nb2O9陶瓷。優(yōu)選組分，采用熱壓燒結(jié)，制備出各向異性明顯的高性能CaBi2Nb2O9壓電陶瓷，尋找熱壓燒結(jié)高性能CaBi2Nb2O9壓電陶瓷的最佳壓強(qiáng)及加壓溫區(qū)。2011年1月一2011年12月：制備針狀Ca2Nb2O7模板晶粒，將模板晶粒與前驅(qū)體溶液漿料混合均勻，分別采用擠塑法和流延法制備高取向的織構(gòu)化CaBi2Nb2O9陶瓷，比較兩種制備方法在以針狀Ca2Nb2O7為模板晶粒制備高取向CaBi2Nb2O9陶瓷中的優(yōu)劣。2012年1月一2012年12月：在前兩年工作基礎(chǔ)上，綜合考慮性能調(diào)控和晶粒定向制備工藝，制備出高性能超高溫CaBi2Nb2O9陶瓷。系統(tǒng)對(duì)比超高溫壓電陶瓷的組分、結(jié)構(gòu)及性能之間的關(guān)系，對(duì)其中的物理機(jī)制深入分析和探討，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，初步建立相應(yīng)的理論指導(dǎo)基礎(chǔ)。預(yù)期研究結(jié)果通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，采用傳統(tǒng)電子陶瓷制備工藝制備出幾種高性能的超高溫CaBi2Nb2O9壓電陶瓷；通過(guò)深入研究，解決高溫下材料機(jī)電特性下降的關(guān)鍵性問(wèn)題，提出降低鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷高溫電導(dǎo)率的有效途徑，總結(jié)出材料的晶體結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷電導(dǎo)率影響的規(guī)律，從本質(zhì)上闡明其高溫導(dǎo)電機(jī)理。通過(guò)熱壓燒結(jié)和模板晶粒生長(zhǎng)法這兩種晶粒定向技術(shù)，提高CaBi2Nb2O9陶瓷的壓電活性，制備出壓電常數(shù)d33不低于30pC/N，居里溫度在900oC左右的高性能超高溫CaBi2Nb2O9壓電陶瓷材料，促進(jìn)對(duì)織構(gòu)化功能陶瓷的研究。申請(qǐng)1一2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。發(fā)表8—10篇SCI收錄論文。培養(yǎng)4一5名鐵電壓電陶瓷實(shí)驗(yàn)與理論較強(qiáng)的碩士研究生。(二)研究基礎(chǔ)與工作條件研究工作基礎(chǔ)和已經(jīng)取得的初步研究結(jié)果申請(qǐng)人長(zhǎng)期在山東大學(xué)電介質(zhì)物理研究室從事高溫居里點(diǎn)鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈮酸鹽和鈦酸鹽無(wú)鉛壓電陶瓷的相關(guān)研究，在無(wú)鉛壓電材料領(lǐng)域，特別是高溫鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電材料領(lǐng)域積累了較為豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。近期，我們對(duì)高溫鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電材料體系開(kāi)展了大量研究工作，通過(guò)性能調(diào)控成功制備出高性能的高溫鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料(Appl.Phys.Lett.89202905)。最近申請(qǐng)者又報(bào)道了傳統(tǒng)工藝制備的替位改性的高性能超高溫CaBi2Nb2O9壓電陶瓷（Phys.StatusSolidiRRL2009349），將壓電常數(shù)d33提高到16